background image

 

 

 

 

 

Power Semiconductor Applications 

 

 

 

 

Philips Semiconductors

 

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Preface

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Acknowledgments

We are grateful for all the contributions from our colleagues within Philips and to the Application Laboratories in Eindhoven
and Hamburg.

We would also like to thank Dr.P.H.Mellor of the University of Sheffield for contributing the application note of section 3.1.5.

The authors thank Mrs.R.Hayes for her considerable help in the preparation of this book.

The authors also thank Mr.D.F.Haslam for his assistance in the formatting and printing of the manuscripts.

Contributing Authors

N.Bennett

M.Bennion

D.Brown

C.Buethker

L.Burley

G.M.Fry

R.P.Gant

J.Gilliam

D.Grant

N.J.Ham

C.J.Hammerton

D.J.Harper

W.Hettersheid

J.v.d.Hooff

J.Houldsworth

M.J.Humphreys

P.H.Mellor

R.Miller

H.Misdom

P.Moody

S.A.Mulder

E.B.G. Nijhof

J.Oosterling

N.Pichowicz

W.B.Rosink

D.C. de Ruiter

D.Sharples

H.Simons

T.Stork

D.Tebb

H.Verhees

F.A.Woodworth

T.van de Wouw

This book was originally prepared by the Power Semiconductor Applications Laboratory, of the Philips Semiconductors
product division, Hazel Grove:

M.J.Humphreys

C.J.Hammerton

D.Brown

R.Miller

L.Burley

It was revised and updated, in 1994, by:

N.J.Ham

C.J.Hammerton

D.Sharples

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Preface

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Preface

This book was prepared by the Power Semiconductor Applications Laboratory of the Philips Semiconductors product
division, Hazel Grove. The book is intended as a guide to using power semiconductors both efficiently and reliably in power
conversion applications. It is made up of eight main chapters each of which contains a number of application notes aimed
at making it easier to select and use power semiconductors.

CHAPTER 1 forms an introduction to power semiconductors concentrating particularly on the two major power transistor
technologies, Power MOSFETs and High Voltage Bipolar Transistors.

CHAPTER 2 is devoted to Switched Mode Power Supplies. It begins with a basic description of the most commonly used
topologies and discusses the major issues surrounding the use of power semiconductors including rectifiers. Specific
design examples are given as well as a look at designing the magnetic components. The end of this chapter describes
resonant power supply technology.

CHAPTER 3 describes motion control in terms of ac, dc and stepper motor operation and control. This chapter looks only
at transistor controls, phase control using thyristors and triacs is discussed separately in chapter 6.

CHAPTER 4 looks at television and monitor applications. A description of the operation of horizontal deflection circuits is
given followed by transistor selection guides for both deflection and power supply applications. Deflection and power supply
circuit examples are also given based on circuits designed by the Product Concept and Application Laboratories (Eindhoven).

CHAPTER 5 concentrates on automotive electronics looking in detail at the requirements for the electronic switches taking
into consideration the harsh environment in which they must operate.

CHAPTER 6 reviews thyristor and triac applications from the basics of device technology and operation to the simple design
rules which should be followed to achieve maximum reliability. Specific examples are given in this chapter for a number
of the common applications.

CHAPTER 7 looks at the thermal considerations for power semiconductors in terms of power dissipation and junction
temperature limits. Part of this chapter is devoted to worked examples showing how junction temperatures can be calculated
to ensure the limits are not exceeded. Heatsink requirements and designs are also discussed in the second half of this
chapter.

CHAPTER 8 is an introduction to the use of high voltage bipolar transistors in electronic lighting ballasts. Many of the
possible topologies are described.

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Contents

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Table of Contents

 

CHAPTER 1 Introduction to Power Semiconductors

 

1

General

3

1.1.1  An Introduction To Power Devices ............................................................

5

Power MOSFET

17

1.2.1  PowerMOS Introduction .............................................................................

19

1.2.2  Understanding Power MOSFET Switching Behaviour ...............................

29

1.2.3  Power MOSFET Drive Circuits ..................................................................

39

1.2.4  Parallel Operation of Power MOSFETs .....................................................

49

1.2.5  Series Operation of Power MOSFETs .......................................................

53

1.2.6  Logic Level FETS ......................................................................................

57

1.2.7  Avalanche Ruggedness .............................................................................

61

1.2.8  Electrostatic Discharge (ESD) Considerations ..........................................

67

1.2.9  Understanding the Data Sheet: PowerMOS ..............................................

69

High Voltage Bipolar Transistor

77

1.3.1  Introduction To High Voltage Bipolar Transistors ......................................

79

1.3.2  Effects of Base Drive on Switching Times .................................................

83

1.3.3  Using High Voltage Bipolar Transistors .....................................................

91

1.3.4  Understanding The Data Sheet:  High Voltage Transistors .......................

97

CHAPTER 2 Switched Mode Power Supplies

103

Using Power Semiconductors in Switched Mode Topologies

105

2.1.1  An Introduction to Switched Mode Power Supply Topologies ...................

107

2.1.2  The Power Supply Designer’s Guide to High Voltage Transistors ............

129

2.1.3  Base Circuit Design for High Voltage Bipolar Transistors in Power
Converters ...........................................................................................................

141

2.1.4  Isolated Power Semiconductors for High Frequency Power Supply
Applications .........................................................................................................

153

Output Rectification

159

2.2.1  Fast Recovery Epitaxial Diodes for use in High Frequency Rectification 

161

2.2.2  Schottky Diodes from Philips Semiconductors ..........................................

173

2.2.3  An Introduction to Synchronous Rectifier Circuits using PowerMOS
Transistors ...........................................................................................................

179

i

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Contents

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Design Examples

185

2.3.1  Mains Input 100 W Forward Converter SMPS: MOSFET and Bipolar
Transistor Solutions featuring ETD Cores  ...........................................................

187

2.3.2  Flexible, Low Cost, Self-Oscillating Power Supply using an ETD34
Two-Part Coil Former and 3C85 Ferrite  ..............................................................

199

Magnetics Design

205

2.4.1  Improved Ferrite Materials and Core Outlines for High Frequency Power
Supplies ...............................................................................................................

207

Resonant Power Supplies

217

2.5.1.  An Introduction To Resonant Power Supplies  ..........................................

219

2.5.2.  Resonant Power Supply Converters - The Solution For Mains Pollution
Problems ..............................................................................................................

225

CHAPTER 3 Motor Control

241

AC Motor Control

243

3.1.1  Noiseless A.C. Motor Control: Introduction to a 20 kHz System  ...............

245

3.1.2  The Effect of a MOSFET’s Peak to Average Current Rating  on Invertor
Efficiency .............................................................................................................

251

3.1.3  MOSFETs and FREDFETs for Motor Drive Equipment .............................

253

3.1.4  A Designers Guide to PowerMOS Devices for Motor Control  ...................

259

3.1.5  A 300V, 40A High Frequency Inverter Pole Using Paralleled FREDFET
Modules ...............................................................................................................

273

DC Motor Control

283

3.2.1  Chopper circuits for DC motor control  .......................................................

285

3.2.2  A switched-mode controller for DC motors  ................................................

293

3.2.3  Brushless DC Motor Systems ....................................................................

301

Stepper Motor Control

307

3.3.1  Stepper Motor Control  ...............................................................................

309

CHAPTER 4 Televisions and Monitors

317

Power Devices in TV & Monitor Applications (including selection
guides)

319

4.1.1  An Introduction to Horizontal Deflection  ....................................................

321

4.1.2  The BU25XXA/D Range of Deflection Transistors  ....................................

331

ii

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Contents

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

4.1.3  Philips HVT’s for TV & Monitor Applications ..............................................

339

4.1.4  TV and Monitor Damper Diodes  ................................................................

345

TV Deflection Circuit Examples

349

4.2.1  Application Information for the 16 kHz Black Line Picture Tubes  ..............

351

4.2.2  32 kHz / 100 Hz Deflection Circuits for the 66FS Black Line Picture Tube

361

SMPS Circuit Examples

377

4.3.1  A 70W Full Performance TV SMPS Using The TDA8380  .........................

379

4.3.2  A Synchronous 200W SMPS for 16 and 32 kHz TV ..................................

389

Monitor Deflection Circuit Example

397

4.4.1  A Versatile 30 - 64 kHz Autosync Monitor  .................................................

399

CHAPTER 5 Automotive Power Electronics

421

Automotive Motor Control (including selection guides)

423

5.1.1  Automotive Motor Control With Philips MOSFETS  ....................................

425

Automotive Lamp Control (including selection guides)

433

5.2.1  Automotive Lamp Control With Philips MOSFETS  ....................................

435

The TOPFET

443

5.3.1  An Introduction to the 3 pin TOPFET .........................................................

445

5.3.2  An Introduction to the 5 pin TOPFET .........................................................

447

5.3.3  BUK101-50DL - a Microcontroller compatible TOPFET  ............................

449

5.3.4  Protection with 5 pin TOPFETs  .................................................................

451

5.3.5  Driving TOPFETs .......................................................................................

453

5.3.6  High Side PWM Lamp Dimmer using TOPFET  .........................................

455

5.3.7  Linear Control with TOPFET ......................................................................

457

5.3.8  PWM Control with TOPFET .......................................................................

459

5.3.9  Isolated Drive for TOPFET  ........................................................................

461

5.3.10  3 pin and 5 pin TOPFET Leadforms  ........................................................

463

5.3.11  TOPFET Input Voltage  ............................................................................

465

5.3.12  Negative Input and TOPFET  ...................................................................

467

5.3.13  Switching Inductive Loads with TOPFET .................................................

469

5.3.14  Driving DC Motors with TOPFET .............................................................

471

5.3.15  An Introduction to the High Side TOPFET ...............................................

473

5.3.16  High Side Linear Drive with TOPFET  ......................................................

475

iii

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Contents

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Automotive Ignition

477

5.4.1  An Introduction to Electronic Automotive Ignition  ......................................

479

5.4.2  IGBTs for Automotive Ignition ....................................................................

481

5.4.3  Electronic Switches for Automotive Ignition ...............................................

483

CHAPTER 6 Power Control with Thyristors and Triacs

485

Using Thyristors and Triacs

487

6.1.1  Introduction to Thyristors and Triacs  .........................................................

489

6.1.2  Using Thyristors and Triacs  .......................................................................

497

6.1.3  The Peak Current Handling Capability of Thyristors ..................................

505

6.1.4  Understanding Thyristor and Triac Data ....................................................

509

Thyristor and Triac Applications

521

6.2.1  Triac Control of DC Inductive Loads ..........................................................

523

6.2.2  Domestic Power Control with Triacs and Thyristors  ..................................

527

6.2.3  Design of a Time Proportional Temperature Controller  .............................

537

Hi-Com Triacs

547

6.3.1  Understanding Hi-Com Triacs  ...................................................................

549

6.3.2  Using Hi-Com Triacs ..................................................................................

551

CHAPTER 7 Thermal Management

553

Thermal Considerations

555

7.1.1  Thermal Considerations for Power Semiconductors  .................................

557

7.1.2  Heat Dissipation .........................................................................................

567

CHAPTER 8 Lighting

575

Fluorescent Lamp Control

577

8.1.1  Efficient Fluorescent Lighting using Electronic Ballasts .............................

579

8.1.2  Electronic Ballasts - Philips Transistor Selection Guide  ............................

587

8.1.3  An Electronic Ballast - Base Drive Optimisation  ........................................

589

iv

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

CHAPTER 1

Introduction to Power Semiconductors

1.1  General

1.2  Power MOSFETS

1.3  High Voltage Bipolar Transistors

1

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

General

3

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

1.1.1  An Introduction To Power Devices

Today’s mains-fed switching applications make use of a
wide variety of active power semiconductor switches. This
chapter considers the range of power devices on the market
today, making comparisons both in terms of their operation
and their general areas of application. The P-N diode will
be considered first since this is the basis of all active
switches. This will be followed by a look at both 3 layer and
4 layer switches.

Before looking at the switches let’s briefly consider the
various applications in which they are used. Virtually all
mains fed power applications switch a current through an
inductive load. This is the case even for resonant systems
where the operating point is usually on the "inductive" side
of the resonance curve. The voltage that the switch is
normally required to block is, in the majority of cases, one
or two times the maximum rectified input voltage depending
on the configuration used. Resonant applications are the
exception to this rule with higher voltages being generated
by the circuit. For 110-240 V mains, the required voltage
ratings for the switch can vary from 200 V to 1600 V.

Under normal operating conditions the off-state losses in
the switch are practically zero. For square wave systems,
the on-state losses (occurring during the on-time), are
primarily determined by the on-state resistance which gives
rise to an on-state voltage drop, V

ON

. The (static) on-state

losses may be calculated from:

At the end of the "ON" time the switch is turned off. The
turn-off current is normally high which gives rise to a loss
dependent on the turn-off properties of the switch. The
process of turn-on will also involve a degree of power loss
so it is important not to neglect the turn-on properties either.
Most applications either involve a high turn-on current or
the current reaching its final value very quickly (high dI/dt).
The total dynamic power loss is proportional to both the
frequency and to the turn-on and turn-off energies.

The total losses are the sum of the on-state and dynamic
losses.

The balance of these losses is primarily determined by the
switch used. If the on-state loss dominates, operating
frequency will have little influence and the maximum
frequency of the device is limited only by its total delay time
(the sum of all its switching times). At the other extreme a
device whose on-state loss is negligible compared with the
switching loss, will be limited in frequency due to the
increasing dynamic losses.

Fig.1  Cross section of a silicon P-N diode

High frequency switching When considering frequency
limitation it is important to realise that the real issue is not
just the frequency, but also the minimum on-time required.
For example, an SMPS working at 100 kHz with an almost
constant output power, will have a pulse on-time t

P

of about

2-5

µ

s. This can be compared with a high performance UPS

working at 10 kHz with low distortion which also requires a
minimum on-time of 2

µ

s. Since the 10 kHz and 100 kHz

applications

considered

here,

require

similar

short

on-times, both may be considered high frequency
applications.

Resonant systems have the advantage of relaxing turn-on
or turn-off or both. This however tends to be at the expense
of V-A product of the switch. The relaxed switching
conditions imply that in resonant systems switches can be
used at higher frequencies than in non resonant systems.
When evaluating switches this should be taken into
account.

P

N

CATHODE

ANODE

P

STATIC

= δ.

V

ON

.

I

ON

(

1

)

P

DYNAMIC

=

f

.(

E

ON

+

E

OFF

)

(

2

)

P

TOT

= δ.

V

ON

.

I

ON

+

f

.(

E

ON

+

E

OFF

)

(

3

)

5

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.2  Field distribution in the N

-

 layer

E

HIGH RESISTIVITY

Thickness

E

Thickness

LOW RESITIVITY

E

INTERMEDIATE CASE

Thickness

Case 1

Case 2

Case 3

At higher values of

throughput power, the physical size of

circuits increases and as a consequence, the stray
inductances will also tend to increase. Since the required
currents are higher, the energy stored in the stray
inductances rises significantly, which in turn means the
induced peak voltages also rise.

As a result such

applications force the use of longer pulse times, to keep
losses down, and protection networks to limit overshoot or
networks to slow down switching speeds. In addition the
use of larger switches will also have consequences in terms
of increasing the energy required to turn them on and off
and drive energy is very important.

So, apart from the voltage and current capabilities of
devices, it is necessary to consider static and dynamic
losses, drive energy, dV/dt, dI/dt and Safe Operating Areas.

The silicon diode

Silicon is the semiconductor material used for all power
switching devices. Lightly doped N

-

silicon is usually taken

as the starting material. The resistance of this material
depends upon its resistivity, thickness and total area.

A resistor as such does not constitute an active switch, this
requires an extra step which is the addition of a P-layer.
The result is a diode of which a cross section is drawn in
Fig.1

The blocking diode

Since all active devices contain a diode it is worth
considering its structure in a little more detail. To achieve
the high blocking voltages required for active power
switches necessitates the presence of a thick N

-

layer. To

withstand a given voltage the N

-

layer must have the right

combination of thickness and resistivity. Some flexibility
exists as to what that combination is allowed to be, the
effects of varying the combination are described below.

Case 1: Wide N

-

layer and low resistivity

Figure 2 gives the field profile in the N

-

layer, assuming the

junction formed with the P layer is at the left. The maximum
field at the P-N junction is limited to 22 kV/cm by the
breakdown properties of the silicon. The field at the other
end is zero. The slope of the line is determined by the
resistivity. The total voltage across the N

-

layer is equal to

the area underneath the curve. Please note that increasing
the thickness of the device would not contribute to its
voltage capability in this instance. This is the normal field
profile when there is another P-layer at the back as in 4
layer devices (described later).

Case 2: Intermediate balance

In this case the higher resistivity material reduces the slope
of the profile. The field at the junction is the same so the
same blocking voltage capability (area under the profile)
can be achieved with a thinner device.
The very steep profile at the right hand side of the profile
indicates the presence of an N

+

layer which often required

to ensure a good electrical contact

Case 3: High resistivity material

With sufficiently high resistivity material a near horizontal
slope to the electric field is obtained. It is this scenario which
will give rise to the thinnest possible devices for the same
required breakdown voltage. Again an N

+

layer is required

at the back.

An optimum thickness and resistivity exists which will give
the lowest possible resistance for a given voltage capability.
Both case 1 (very thick device) and case 3 (high resistivity)
give high resistances, the table below shows the thickness
and resistivity combinations possible for a 1000 V diode.

R

= ρ.

l

A

(

4

)

6

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The column named RA gives the resistance area product.
(A device thickness of less than 50 

µ

m will never yield

1000 V and the same goes for a resistivity of less than
26 

cm.) The first specification is for the thinnest device

possible and the last one is for the thickest device, (required
when a P layer is present at the back). It can be seen that
the lowest resistance is obtained with an intermediate value
of resistivity and material thickness.

Thickness Resistivity

RA

Comments

(

µ

m)

(

cm)

cm

2

50

80

0.400

case 3

60

34

0.204

65

30

0.195

70

27

0.189

min. R

75

26

0.195

80

26

0.208

90

26

0.234

100

26

0.260

case 1

To summarise, a designer of high voltage devices has only
a limited choice of material resistivity and thickness with
which to work. The lowest series resistance is obtained for
a material thickness and resistivity intermediate between
the possible extremes. This solution is the optimum for all
majority carrier devices such as the PowerMOSFET and
the J-FET where the on-resistance is uniquely defined by
the series resistance. Other devices make use of charge
storage

effects

to

lower

their

on-state

voltage.

Consequently to optimise switching performance in these
devices the best choice will be the thinnest layer such that
the volume of stored charge is kept to a minimum. Finally
as mentioned earlier, the design of a 4 layer device requires
the thickest, low resistivity solution.

The forward biased diode

When a diode is forward biased, a forward current will flow.
Internally this current will have two components: an electron
current which flows from the N layer to the P layer and a
hole current in the other direction. Both currents will
generate a charge in the opposite layer (indicated with Q

P

and Q

N

in Fig.3). The highest doped region will deliver most

of the current and generate most of the charge. Thus in a
P

+

 N

-

 diode the current will primarily be made up of holes

flowing from P to N and there will be a significant volume
of hole charge in the N

-

layer. This point is important when

discussing active devices: whenever a diode is forward
biased (such as a base-emitter diode) there will be a charge
stored in the lowest doped region.

Fig. 3  Diode in forward conduction

The exact volume of charge that will result is dependent
amongst other things on the minority carrier lifetime,

τ

.

Using platinum or gold doping or by irradiation techniques
the value of

τ

can be decreased. This has the effect of

reducing the volume of stored charge and causing it to
disappear more quickly at turn-off. A side effect is that the
resistivity will increase slightly.

Three Layer devices

The three basic designs, which form the basis for all derived
3 layer devices, are given in Fig.4. It should be emphasised
here that the discussion is restricted to high voltage devices
only as indicated in the first section. This means that all
relevant devices will have a

vertical structure, characterised

by a wide N

-

-layer.

The figure shows how a three layer device can be formed
by adding an N type layer to the P-N diode structure. Two
back to back P-N diodes thus form the basis of the device,
where the P layer provides a means to control the current
when the device is in the on-state.

There are three ways to use this P-layer as a control
terminal. The first is to feed current into the terminal itself.
The current through the main terminals is now proportional
to the drive current. This device is called a

High Voltage

Transistor or HVT.

The second one is to have openings in the P-layer and
permit the main current to flow between them.

When

reverse biasing the gate-source, a field is generated which
blocks the opening and pinches off the main current. This
device is known as the

J-FET (junction FET) or SIT (Static

Induction Transistor).

P

CATHODE

ANODE

I

p

I

N

Q

P

Q

N

N

N

-

+

7

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.4  The three basic three layer devices

P

N

EMITTER

COLLECTOR

-

N

BASE

P

N

SOURCE

DRAIN

-

N

GATE

P

N

SOURCE

DRAIN

-

N

GATE

BIPOLAR TRANSISTOR

J-FET (SIT)

MOS

N

N

N

The third version has an electrode (gate) placed very close
to the P-layer. The voltage on this gate pushes away the
holes in the P-area and attracts electrons to the surface
beneath the gate. A channel is thus formed between the
main terminals so current can flow. The well known name
for this device is

MOS transistor.

In practice however, devices bear little resemblance to the
constructions of Fig.4.

In virtually all cases a planar

construction is chosen i.e. the construction is such that one
main terminal (emitter or source) and the drive contact are
on the surface of the device. Each of the devices will now
be considered in some more detail.

The High Voltage Transistor (HVT)

The

High Voltage Transistor uses a positive base current

to control the main collector current. The relation is:
I

C

 = H

FE

 * I

B

. The base drive forward biases the base emitter

P-N junction and charge (holes and electrons) will pass
through it. Now the base of a transistor is so thin that the
most of the electrons do not flow to the base but into the
collector - giving rise to a collector current. As explained
previously, the ratio between the holes and electrons
depend on the doping. So by correctly doping the base
emitter junction, the electron current can be made much
larger than the hole current, which means that I

C

can be

much larger than I

B

.

When enough base drive is provided it is possible to forward
bias the base-collector P-N junction also. This has a
significant impact on the resistance of the N

-

layer; holes

now injected from the P type base constitute stored charge
causing a substantial reduction in on-state resistance,
much lower than predicted by equation 4. Under these
conditions the collector is an effective extension of the base.
Unfortunately the base current required to maintain this

Fig.5  The HVT

condition causes the current gain to drop. For this reason
one cannot use a HVT at a very high current density
because then the gain would become impractically low.

The on-state voltage of an HVT will be considerably lower
than for a MOS or J-FET. This is its main advantage, but
the resulting charge stored in the N

-

 layer has to be

delivered and also to be removed. This takes time and the
speed of a bipolar transistor is therefore not optimal. To
improve speed requires optimisation of a fine emitter
structure in the form of fingers or cells.

Both at turn-on and turn-off considerable losses may occur
unless care is taken to optimise drive conditions. At turn-on
a short peak base current is normally required. At turn-off
a negative base current is required and negative drive has
to be provided.

P

COLLECTOR

B

B

B

E

E

N

N

-

+

N+

N+

I

B

Electrons

8

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

A serious limitation of the HVT is the occurrence of

second

breakdown during switch off. The current contracts towards
the middle of the emitter fingers and the current density can
become very high. The RBSOAR (Reverse Bias Safe
Operating Area) graph specifies where the device can be
used safely. Device damage may result if the device is not
properly used and one normally needs a snubber (dV/dt
network) to protect the device. The price of such a snubber
is normally in the order of the price of the transistor itself.
In resonant applications it is possible to use the resonant
properties of the circuit to have a slow dV/dt.

So, the bipolar transistor has the advantage of a very low
forward voltage drop, at the cost of lower speed, a
considerable energy is required to drive it and there are
also limitations in the RBSOAR.

The J-FET.

The

J-FET (Junction Field Effect Transistor) has a direct

resistance between the Source and the Drain via the
opening in the P-layer. When the gate-source voltage is
zero the device is on. Its on-resistance is determined by the
resistance of the silicon and no charge is present to make
the resistance lower as in the case of the bipolar transistor.
When a negative voltage is applied between Gate and
Source, a depletion layer is formed which pinches off the
current path. So, the current through the switch is
determined by the voltage on the gate. The drive energy is
low, it consists mainly of the charging and discharging of
the gate-source diode capacitance. This sort of device is
normally very fast.

Fig.6  The J-FET

Its main difficulty is the opening in the P-layer. In order to
speed up performance and increase current density, it is
necessary to make a number of openings and this implies
fine geometries which are difficult to manufacture.

A

solution exists in having the P-layer effectively on the
surface, basically a diffused grid as shown in Fig.6.
Unfortunately the voltages now required to turn the device
off may be very large: it is not uncommon that a voltage of
25 V negative is needed. This is a major disadvantage
which, when combined with its "normally-on" property and
the difficulty to manufacture, means that this type of device
is not in mass production.

The MOS transistor.

The

MOS (Metal Oxide Semiconductor) transistor is

normally off: a positive voltage is required to induce a
channel in the P-layer. When a positive voltage is applied
to the gate, electrons are attracted to the surface beneath
the gate area. In this way an "inverted" N-type layer is
forced in the P-material providing a current path between
drain and source.

Fig.7  The MOS transistor

Modern technology allows a planar structure with very
narrow cells as shown in Fig.7. The properties are quite
like the J-FET with the exception that the charge is now
across the (normally very thin) gate oxide. Charging and
discharging the gate oxide capacitance requires drive
currents when turning on and off. Switching speeds can
be controlled by controlling the amount of drive charge
during the switching interval. Unlike the J-FET it does not
require a negative voltage although a negative voltage may
help switch the device off quicker.

The MOSFET is the preferred device for higher frequency
switching since it combines fast speed, easy drive and wide
commercial availability.

DRAIN

S

G

N

N

-

+

S

N+

N+

P

P

DRAIN

G

G

G

S

S

P

P

P

N+

N+

N

N

-

+

9

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Refinements to the basic structure

A number of techniques are possible to improve upon
behaviour of the basic device.

First, the use of

finer geometries can give lower on-state

voltages, speed up devices and extend their energy
handling

capabilities.

This

has

led

to

improved

"Generation 3" devices for bipolars and to lower R

DS(ON)

for

PowerMOS. Secondly,

killing the lifetime

τ

in the device

can also yield improvements. For bipolar devices, this
positively effects the switching times. The gain, however,
will drop, and this sets a maximum to the amount of lifetime
killing. For MOS a lower value for

τ

yields the so-called

FREDFETs, with an intrinsic diode fast enough for many
half bridge applications such as in AC Motor Controllers.
The penalty here is that R

DS(ON)

is adversely effected

(slightly).

Total

losses,

however,

are

decreased

considerably.

Four layer devices

The three basic designs from the previous section can be
extended with a P

+

-layer at the back, thereby generating

three basic Four Layer Devices. The addition of this extra
layer creates a PNP transistor from the P

+

-N

-

-P-layers. In

all cases the 3 layer NPN device will now deliver an electron
current into the back P

+

-layer which acts as an emitter. The

PNP transistor will thus become active which results in a
hole current flowing from the P

+

-layer into the high resistive

region. This in its turn will lead to a

hole charge in the high

resistive region which lowers the on-state voltage
considerably, as

outlined

above

for

High

Voltage

Transistors. Again, the penalty is in the switching times
which will increase.

All the devices with an added P

+

-layer at the back will inject

holes into the N

-

-layer. Since the P

+

-layer is much heavier

doped than the N

-

-layer, this hole current will be the major

contributor to the main current. This means that the charge
in the N

-

-layer, especially near the N

-

-P

+

-junction, will be

large. Under normal operation the hole current will be large
enough to influence the injection of electrons from the top
N

+

-layer.

This results in extra electron current being

injected from the top, leading to extra hole current from the
back etc. This situation is represented in the schematic of
Fig.8.

An important point is

latching. This happens when the

internal currents are such that we are not able to turn off
the device using the control electrode. The only way to turn
it off is by externally removing the current from the device.

The switching behaviour of all these devices is affected by
the behaviour of the PNP: as long as a current is flowing
through the device, the back will inject holes into the
N

-

-layer. This leads to switching tails which contribute

heavily to switching losses. The tail is strongly affected by
the lifetime

τ

and by the application of negative drive current

when possible. As previously explained, adjustment of the
lifetime affects the on-state voltage. Carefully adjusting the
lifetime

τ

will balance the on-state losses with the switching

losses.

All four layer devices show this trade-off between switching
losses and on-state losses. When minimising switching
losses, the devices are optimised for high frequency
applications. When the on-state losses are lowest the
current density is normally highest, but the device is only
useful at low frequencies. So two variants of the four layer
device generally exist. In some cases intermediate speeds
are also useful as in the case of very high power GTOs.

The Thyristor

A

thyristor (or SCR, Silicon Controlled Rectifier) is

essentially an HVT with an added P

+

-layer. The resulting

P

-

-N

-

-P

+

transistor is on when the whole device is on and

provides enough base current to the N

+

-P-N

-

transistor to

stay on. So after an initial kick-on, no further drive energy
is required.

Fig.8  Thyristor

The classical thyristor is thus a latching device. Its
construction is normally not very fine and as a result the
gate contact is too far away from the centre of the active
area to be able to switch it off. Also the current density is
much higher than in a bipolar transistor. The switching times
however are very long.

Its turn-on is hampered by its

structure since it takes quite a while for the whole crystal
to become active. This seriously limits its dI/dt.

Once a thyristor is on it will only turn-off after having zero
current for a few microseconds. This is done by temporarily
forcing the current via a so-called commutation circuit.

P

ANODE

G

G

C

P

+

N

-

N

+

Ip2

Ip1

10

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The charge in the device originates from two sources: The
standard NPN transistor structure injects holes in the
N

-

-layer (I

P1

in Fig.8) and the PNP transistor injects a charge

from the back (I

P2

in Fig.8). Therefore the total charge is big

and switching performance is very poor. Due to its slow
switching a normal thyristor is only suitable up to a few kHz.

A major variation on the thyristor is the

GTO (Gate Turn Off

Thyristor). This is a thyristor where the structure has been
tailored to give better speed by techniques such as accurate
lifetime killing, fine finger or cell structures and "anode
shorts" (short circuiting P

+

and N

-

at the back in order to

decrease the current gain of the PNP transistor). As a result,
the product of the gain of both NPN and PNP is just sufficient
to keep the GTO conductive. A negative gate current is
enough to sink the hole current from the PNP and turn the
device off.

Fig.9  The GTO

A GTO shows much improved switching behaviour but still
has the tail as described above. Lower power applications,
especially resonant systems, are particularly attractive for
the GTO because the turn-off losses are virtually zero.

The SITh

The

SITh (Static Induction Thyristor) sometimes also

referred to as

FCT (Field Controlled Thyristor) is essentially

a J-FET with an added P

+

back layer. In contrast to the

standard thyristor, charge is normally only injected from the
back, so the total amount of charge is limited. However, a
positive gate drive is possible which will reduce on-state
resistance.

Active extraction of charge via the gate contact is possible
and switching speeds may be reduced considerably by
applying an appropriate negative drive as in the case of an
HVT. As for the SIT the technological complexity is a severe

Fig.10  The SITh

drawback,

as

is

its

negative

drive

requirements.

Consequently mass production of this device is not
available yet.

The IGBT

An

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is an MOS

transistor with P

+

at the back. Charge is injected from the

back only, which limits the total amount of charge. Active
charge extraction is not possible, so the carrier lifetime

τ

should be chosen carefully, since that determines the
switching losses. Again two ranges are available with both
fast and slow IGBTs.

Fig.11  The IGBT

ANODE

G

G

G

C

C

P

P

P

N+

N+

N

P

-

+

P

ANODE

G

G

G

C

C

N

P

-

+

N+

N+

N

+

N

+

COLLECTOR

E

G

N

-

E

N+

N+

P

P

P

+

11

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The speed of the fast IGBT is somewhat better than that of
a GTO because a similar technology is used to optimise
the IGBT but only the back P

+

-layer is responsible for the

charge.

The IGBT is gaining rapidly in popularity since its
manufacturing is similar to producing PowerMOS and an
increasing market availability exists. Although the latching
of IGBTs was seen as a problem, modern optimised devices
don’t suffer from latch-up in practical conditions.

Refinements to the basic structure

The refinements outlined for 3 layer devices also apply to
4 layer structures. In addition to these, an N

+

-layer may be

inserted between the P

+

and N

-

-layer. Without such a layer

the designer is limited in choice of starting material to Case
3 as explained in the diode section.

Adding the extra

N

+

-layer allows another combination of resistivity and

thickness to be used, improving device performance. An
example of this is the ASCR, the Asymmetric SCR, which
is much faster than normal thyristors. The reverse blocking
capability, however, is now reduced to a value of 10-20 V.

Comparison of the Basic Devices.

It is important to consider the properties of devices
mentioned when choosing the optimum switch for a
particular application. Table 2 gives a survey of the
essential device

properties of

devices

capable

of

withstanding 1000 V. IGBTs have been classed in terms
of fast and slow devices, however only the fast GTO and
slow thyristor are represented.

The fast devices are

optimised for speed, the slow devices are optimised for On
voltage.

Comments

This table is valid for 1000 V devices. Lower voltage devices
will always perform better, higher voltage devices are
worse.

A dot means an average value in between "+" and "-"

The "(--)" for a thyristor means a "--" in cases where forced
commutation is used; in case of natural commutation it is
"+"

Most figures are for reference only: in exceptional cases
better performance has been achieved, but the figures
quoted represent the state of the art.

HVT

J-FET

MOS

THY

GTO

IGBT

IGBT

Unit

slow

fast

V(ON)

1

10

5

1.5

3

2

4

V

Positive Drive Requirement

-

+

+

+

+

+

+

+ = Simple to

implement

Turn-Off requirement

-

-

+

(--)

-

+

+

+ = Simple to

implement

Drive circuit complexity

-

.

+

(-)

.

+

+

- = complex

Technology Complexity

+

.

.

+

-

-

-

- = complex

Device Protection

-

.

+

+

-

-

-

+ = Simple to

implement

Delay time (ts, tq)

2

0.1

0.1

5

1

2

0.5

µ

s

Switching Losses

.

++

++

--

-

-

.

+ = good

Current Density

50

12

20

200

100

50

50

A/cm

2

Max dv/dt (Vin = 0)

3

20

10

0.5

1.5

3

10

V/ns

dI/dt

1

10

10

1

0.3

10

10

A/ns

Vmax

1500

1000

1000

5000

4000

1000

1000

V

Imax

1000

10

100

5000

3000

400

400

A

Over Current factor

5

3

5

15

10

3

3

12

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Merged devices

Merged devices are the class of devices composed of two
or more of the above mentioned basic types. They don’t
offer any breakthrough in device performance. This is
understandable since the basic properties of the discussed
devices are not or are hardly effected. They may be
beneficial for the user though, primarily because they may
result in lower positive and/or negative drive requirements.

Darlingtons and BiMOS

A darlington consists of two bipolar transistors. The emitter
current of the first (the driver) forms the base current of the
output transistor. The advantages of darlingtons may be
summarised as follows. A darlington has a higher gain than
a single transistor. It also switches faster because the input
transistor desaturates the output transistor and lower
switching losses are the result. However, the resulting
V

CE(sat)

is higher.

The main issue, especially for higher

powers is the savings in drive energy. This means that
darlingtons can be used at considerably higher output
powers than standard transistors. Modern darlingtons in
high power packages can be used in 20 kHz motor drives
and power supplies.

A BiMOS consists of a MOS driver and a bipolar output
transistor. The positive drive is the same as MOS but
turn-off is generally not so good. Adding a "speed-up" diode
coupled with some negative drive improves things.

Fig.12  The MCT

MCT

MCT stands for

MOS Controlled Thyristor. This device is

effectively a GTO with narrow tolerances, plus a P-MOS
transistor between gate and source (P

+

-N-P MOS, the left

hand gate in Fig.12) and an extra N-MOS to turn it on, the
N-P-N

-

-MOS shown underneath the right hand gate.

Where the GTO would like to be switched off with a negative
gate, the internal GTO in an MCT can turn off by short
circuiting its gate-cathode, due to its fine structure. Its drive
therefore is like a MOS transistor and its behaviour similar
to a GTO. Looking closely at the device it is obvious that
a GTO using similar fine geometries with a suitable external
drive can always perform better, at the cost of some drive
circuitry. The only plus point seems to be its ease of drive.

Application areas of the various devices

The following section gives an

indication of where the

various devices are best placed in terms of applications. It
is possible for circuit designers to use various tricks to
integrate devices and systems in innovative manners,
applying devices far outside their ’normal’ operating
conditions. As an example, it is generally agreed that above
100 kHz bipolars are too difficult to use. However, a
450 kHz converter using bipolars has been already
described in the literature.

As far as the maximum frequency is concerned a number
of arguments must be taken into account.

First the

delay times, either occurring at turn-on or at

turn-off, will limit the maximum operating frequency. A
reasonable rule of thumb for this is f

MAX

= 3 / t

DELAY

. (There

is a danger here for confusion: switching times tend to
depend heavily on circuit conditions, drive of the device and
on current density. This may lead to a very optimistic or
pessimistic expectation and care should be taken to
consider reasonable conditions.)

Another factor is the

switching losses which are proportional

to the frequency. These power losses may be influenced
by optimising the drive or by the addition of external circuits
such as dV/dt or dI/dt networks. Alternatively the heatsink
size may be increased or one may choose to operate
devices at a lower current density in order to decrease
power losses. It is clear that this argument is very subjective.

A third point is

manufacturability. The use of fine structures

for example, which improves switching performance, is
possible only for small silicon chip sizes: larger chips with
very fine MOS-like structures will suffer from unacceptable
low factory yields. Therefore high power systems requiring
large chip areas are bound to be made with less fine
structures and will consequently be slower.

The

operating current density of the device will influence

its physical size. A low current density device aimed at high
power systems would need a large outline which tends to
be expensive. Large outlines also increase the physical size
of the circuit, which leads to bigger parasitic inductances
and associated problems

.

ANODE

N

P

-

+

N

G

C

G

P+

P+
N

N

+

P

13

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.13  Comparison of device operating regions

10 MHz

1 MHz

100 kHz

10 kHz

1 kHz

100 Hz

100VA

1kVA

10kVA

100kVA

1MVA

10MVA

100MVA

DARLINGTONS

HVT

RESONANT SYSTEMS

SQUARE WAVE SYSTEMS

THYRISTOR

(fast)

(fast)-IGBT-(slow)

SITr

SITh

MOS

GTO

(slow)

High power systems will, because of the mechanical size,
be restricted in speed as explained earlier in the text . This
coincides well with the previously mentioned slower
character of higher power devices.

Last but not least it is necessary to take the

application

topology into account. Resonant systems allow the use of
considerably higher frequencies, since switching losses are
minimised. Square wave systems cause more losses in the
devices and thus restrict the maximum frequency. To make
a comparison of devices and provide insight into which
powers are realistic for which devices we have to take all
the above mentioned criteria into account.

Figure 13 shows the optimum working areas of the various
switching devices as a function of switchable power and
frequency. The

switchable power is defined as I

AV

times

V

MAX

as seen by the device.

As an example, darlingtons will work at powers up to 1 MVA
i.e. 1000 V devices will switch 1000 A. The frequency is
then limited to 2.5 kHz. At lower powers higher frequencies

can be achieved however above 50 kHz, darlingtons are
not expected to be used. One should use this table only as
guidance; using special circuit techniques, darlingtons have
actually been used at higher frequencies. Clearly operation
at lower powers and frequencies is always possible.

Conclusions

The starting material for active devices aimed at high
voltage switching are made on silicon of which the minimum
resistivity and thickness are limited. This essentially
determines device performance, since all active switches
incorporate such a layer. Optimisation can be performed
for either minimum thickness, as required in the case of
HVTs, or for minimum resistance, as required for MOS and
J-FETs. The thickest variation (lowest resistivity) is required
in the case of some 4 layer devices.

Basically three ways exist to control current through the
devices: feeding a base current into a P-layer (transistor),

14

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

using a voltage to pinch-off the current through openings
in the P-layer (J-FET) and by applying a voltage onto a gate
which inverts the underlying P-layer (MOS).

The HVT is severely limited in operating frequency due to
its stored hole charge, but this at the same time allows a
greater current density and a lower on-state voltage. It also
requires more drive energy than both MOS and J-FET.

When we add a P

+

-layer at the back of the three basic three

layer devices we make three basic four layer devices. The
P

+

-layer produces a PNP transistor at the back which

exhibits hole storage. This leads to much improved current
densities and lower on-state losses, at the cost of switching
speed. The four layer devices can be optimised for low
on-state losses, in which case the switching will be poor,
or for fast switching, in which case the on-state voltage will

be high.

The properties of all six derived basic devices are
determined to a large extent by the design of the high
resistive area and can be optimised by applying
technological features in the devices such as lifetime killing
and fine geometries.

Resonant systems allow devices to be used at much higher
frequencies due to the lower switching losses and the
minimum on-times which may be longer, compared to
square wave switching systems.

Figure 13 gives the

expected maximum frequency and switching power for the
discussed devices. The difference for square wave systems
and resonant systems is about a factor of 10.

15

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Power MOSFET

17

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

1.2.1  PowerMOS Introduction

Device structure and fabrication

The idea of a vertical channel MOSFET has been known
since the 1930s but it was not until the mid 1970s that the
technology of diffusion, ion implantation and material
treatment had reached the level necessary to produce
DMOS on a commercial scale.

The vertical diffusion

technique uses technology more commonly associated
with the manufacture of large scale integrated circuits than
with traditional power devices. Figure 1(a) shows the
vertical double implanted (DIMOS) channel structure which
is the basis for all Philips power MOSFET devices.

An N-channel PowerMOS transistor is fabricated on an
N

+

substrate with a drain metallization applied to its’

underside.

Above the N

+

substrate is an N

-

epi layer, the

thickness and resistivity of which depends on the required
drain-source breakdown voltage. The channel structure,
formed from a double implant in to the surface epi material,
is laid down in a cellular pattern such that many thousands
of cells go to make a single transistor. The N

+

polysilicon

gate which is embedded in an isolating silicon dioxide layer,
is a single structure which runs between the cells across
the entire active region of the device. The source
metallization also covers the entire structure and thus

parallels all the individual transistor cells on the chip. The
layout of a typical low voltage chip is shown in Fig.1(b). The
polysilicon gate is contacted by bonding to the defined pad
area while the source wires are bonded directly to the
aluminium over the cell array.

The back of the chip is

metallized with a triple layer of titanium/nickel/silver and this
enables the drain connection to be formed using a standard
alloy bond process.

The active part of the device consists of many cells
connected in parallel to give a high current handling
capability where the current flow is vertical through the chip.
Cell density is determined by photolithographic tolerance
requirements in defining windows in the polysilicon and
gate-source oxide and also by the width of the polysilicon
track between adjacent cells. The optimum value for
polysilicon track width and hence cell density varies as a
function of device drain-source voltage rating, this is
explained in more detail further in the section. Typical cell
densities are 1.6 million cells per square inch for low voltage
types and 350,000 cells per square inch for high voltage
types. The cell array is surrounded by an edge termination
structure to control the surface electric field distribution in
the device off-state.

Fig.1(a)  Power MOSFET cell structure.

19

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.1(b)  Plan view of a low voltage Power MOS chip

20

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

A cross-section through a single cell of the array is shown
in Fig.2. The channel length is approximately 1.5 microns
and is defined by the difference in the sideways diffusion
of the N

+

source and the P-body. Both these diffusions are

auto-aligned to the edge of the polysilicon gate during the
fabrication process.

All diffusions are formed by ion

implantation followed by high temperature anneal/drive-in
to give good parameter reproducibility.

The gate is

electrically isolated from the silicon by an 800 Angstrom
layer of gate oxide (for standard types, 500 Angstrom for
Logic level and from the overlying aluminium by a thick layer
of phosphorus doped oxide. Windows are defined in the
latter oxide layer to enable the aluminium layer to contact
the N

+

source and the P

+

diffusion in the centre of each cell.

The P

+

diffusion provides a low resistance connection

between the P

-

body and ground potential, thus inhibiting

turn-on of the inherent parasitic NPN bipolar structure.

Fig.2   Cross-section of a single cell.

Device operation

Current flow in an enhancement mode power MOSFET is
controlled by the voltage applied between the gate and
source terminals. The P

-

body isolates the source and drain

regions

and

forms

two

P-N

junctions

connected

back-to-back. With both the gate and source at zero volts
there is no source-drain current flow and the drain sits at
the positive supply voltage. The only current which can flow
from source to drain is the reverse leakage current.

As the gate voltage is gradually made more positive with
respect to the source, holes are repelled and a depleted
region of silicon is formed in the P

-

body below the

silicon-gate oxide interface.

The silicon is now in a

’depleted’ state, but there is still no significant current flow
between the source and drain.

When the gate voltage is further increased a very thin layer
of electrons is formed at the interface between the P

-

body

and the gate oxide. This conductive N-type channel
enhanced by the positive gate-source voltage, now permits
current to flow from drain to source. The silicon in the P

-

body is referred to as being in an ’inverted’ state. A slight
increase in gate voltage will result in a very significant
increase in drain current and a corresponding rapid
decrease in drain voltage, assuming a normal resistive load
is present.

Eventually the drain current will be limited by the combined
resistances of the load resistor and the R

DS(ON)

of the

MOSFET. The MOSFET resistance reaches a minimum
when V

GS

= +10 volts (assuming a standard type).

Subsequently reducing the gate voltage to zero volts
reverses the above sequence of events.

There are no

stored charge effects since power MOSFETS are majority
carrier devices.

Power MOSFET parameters

Threshold voltage

The threshold voltage is normally measured by connecting
the gate to the drain and then determining the voltage which
must be applied across the devices to achieve a drain
current of 1.0 mA. This method is simple to implement and
provides a ready indication of the point at which channel
inversion occurs in the device.

The P

-

body is formed by the implantation of boron through

the tapered edge of the polysilicon followed by an anneal
and drive-in. The main factors controlling threshold voltage
are gate oxide thickness and peak surface concentration
in the channel, which is determined by the P-body implant
dose. To allow for slight process variation a window is
usually defined which is 2.1 to 4.0 volts for standard types
and 1.0 to 2.0 volts for logic level types.

Positive charges in the gate oxide, for example due to
sodium, can cause the threshold voltage to drift. To
minimise this effect it is essential that the gate oxide is
grown under ultra clean conditions.

In addition the

polysilicon gate and phosphorus doped oxide layer provide
a good barrier to mobile ions such as sodium and thus help
to ensure good threshold voltage stability.

Drain-source on-state resistance

The overall drain-source resistance, R

DS(ON)

, of a power

MOSFET is composed of several elements, as shown in
Fig.3.

The relative contribution from each of the elements varies
with the drain-source voltage rating.

For low voltage

devices the channel resistance is very important while for

N- EPI Layer

N+ Substrate

DRAIN

SOURCE

P-

P-

P+

N+

N+

GATE

20 um

21

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.3   Power MOSFET components of R

DS(ON)

.

the high voltage devices the resistivity and thickness of the
epitaxial layer dominates.

The properties of the various

resistive components will now be discussed:

Channel. The unit channel resistance is determined by the
channel length, gate oxide thickness, carrier mobility,
threshold voltage, and the actual gate voltage applied to
the device. The channel resistance for a given gate voltage
can be significantly reduced by lowering the thickness of
the gate oxide. This approach is used to fabricate the Logic
Level MOSFET transistors and enables a similar value
R

DS(ON)

to be achieved with only 5 volts applied to the gate.

Of course, the gate-source voltage rating must be reduced
to allow for the lower dielectric breakdown of the thinner
oxide layer.

The overall channel resistance of a device is inversely
proportional to channel width, determined by the total
periphery of the cell windows.

Channel width is over

200 cm for a 20 mm

2

low voltage chip. The overall channel

resistance can be significantly reduced by going to higher
cell densities, since the cell periphery per unit area is
reduced.

Accumulation layer. The silicon interface under the centre
of the gate track is ’accumulated’ when the gate is biased
above the threshold voltage. This provides a low resistance
path for the electrons when they leave the channel, prior to
entering the bulk silicon.

This effect makes a significant

contribution towards reducing the overall R

DS(ON)

.

Parasitic JFET. After leaving the accumulation layer the
electrons flow vertically down between the cells into the
bulk of the silicon. Associated with each P-N junction there
is a depletion region which, in the case of the high voltage
devices, extends several microns into the N epitaxial region,
even under zero bias conditions. Consequently the current
path for the electrons is restricted by this parasitic JFET
structure.

The resistance of the JFET structure can be

reduced by increasing the polysilicon track width. However
this reduces the cell density.

The need for compromise

leads to an optimum value for the polysilicon track width for
a given drain-source voltage rating.

Since the zero-bias

depletion width is greater for low doped material, then a
wider polysilicon track width is used for high voltage chip
designs.

Spreading resistance. As the electrons move further into
the bulk of the silicon they are able to spread sideways and
flow under the cells.

Eventually paths overlap under the

centre of each cell.

Epitaxial

layer.

The

drain-source

voltage

rating

requirements determine the resistivity and thickness of the
epitaxial layer. For high voltage devices the resistance of
the epitaxial layer dominates the overall value of R

DS(ON)

.

Substrate. The resistance of the N

+

substrate is only

significant in the case of 50 V devices.

Wires and leads. In a completed device the wire and lead
resistances contribute a few milli-ohms to the overall
resistance.

For all the above components the actual level of resistance
is a function of the mobility of the current carrier. Since the
mobility of holes is much lower than that of electrons the
resistance of P-Channel MOSFETs is significantly higher
than that of N-Channel devices. For this reason P-Channel
types tend to be unattractive for most applications.

Drain-source breakdown voltage

The voltage blocking junction in the PowerMOS transistor
is formed between the P-body diffusion and the N

-

epi layer.

For any P-N junction there exists a maximum theoretical
breakdown voltage, which is dependent on doping profiles
and material thickness. For the case of the N-channel
PowerMOS transistor nearly all the blocking voltage is
supported by the N

-

epi layer. The ability of the N

-

epi layer

to support voltage is a function of its resistivity and thickness
where both must increase to accommodate a higher
breakdown voltage. This has obvious consequences in
terms of drain-source resistance with R

DS(ON)

being

approximately proportional to B

VDSS

2.5

.

It is therefore

important to design PowerMOS devices such that the
breakdown voltage is as close as possible to the theoretical
maximum otherwise thicker, higher resistivity material has
to be used. Computer models are used to investigate the
influence of cell design and layout on breakdown voltage.
Since these factors also influence the ’on-state’ and
switching performances a degree of compromise is
necessary.

To achieve a high percentage of the theoretical breakdown
maximum it is necessary to build edge structures around
the active area of the device. These are designed to reduce
the electric fields which would otherwise be higher in these
regions and cause premature breakdown.

22

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

For low voltage devices this structure consists of a field
plate design, Fig.4.

The plates reduce the electric field

intensity at the corner of the P

+

guard ring which surrounds

the active cell area, and spread the field laterally along the
surface of the device. The polysilicon gate is extended to
form the first field plate, whilst the aluminium source
metallization forms the second plate.

The polysilicon

termination plate which is shorted to the drain in the corners
of the chip (not shown on the diagram) operates as a
channel stopper. This prevents any accumulation of
positive charge at the surface of the epi layer and thus
improves stability.

Aluminium overlaps the termination

plate and provides a complete electrostatic screen against
any external ionic charges, hence ensuring good stability
of blocking performance.

Fig.4   Field plate structure for low voltage devices.

For high voltage devices a set of floating P

+

rings, see Fig.5,

is used to control the electric field distribution around the
device periphery.

The number of rings in the structure

depends on the voltage rating of the device, eight rings are
used for a 1000 volt type such as the BUK456-1000A. A
three dimensional computer model enables the optimum
ring spacing to be determined so that each ring experiences
a similar field intensity as the structure approaches
avalanche breakdown.

The rings are passivated with

polydox which acts as an electrostatic screen and prevents
external ionic charges inverting the lightly doped N

-

interface to form P

-

channels between the rings.

The

polydox is coated with layers of silicon nitride and
phosphorus doped oxide.

All types have a final passivation layer of plasma nitride,
which acts as a further barrier to mobile charge and also
gives anti-scratch protection to the top surface.

Fig.5   Ring structure for high voltage devices.

Electrical characteristics

The DC characteristic

If a dc voltage source is connected across the drain and
source terminals of an N channel enhancement mode
MOSFET, with the positive terminal connected to the drain,
the following characteristics can be observed. With the gate
to source voltage held below the threshold level negligible
current will flow when sweeping the drain source voltage
positive from zero. If the gate to source voltage is taken
above the threshold level, increasing the drain to source
voltage will cause current to flow in the drain. This current
will increase as the drain-source voltage is increased up to
a point known as the pinch off voltage. Increasing the
drain-source terminal voltage above this value will not
produce any significant increase in drain current.

The pinch off voltage arises from a rapid increase in
resistance which for any particular MOSFET will depend
on the combination of gate voltage and drain current. In its
simplest form, pinch off will occur when the ohmic drop
across the channel region directly beneath the gate
becomes comparable to the gate to source voltage. Any
further increase in drain current would now reduce the net
voltage across the gate oxide to a level which is no longer
sufficient to induce a channel. The channel is thus pinched
off at its edge furthest from the source N

+

(see Fig.6).

A typical set of output characteristics is shown in Fig.7. The
two regions of operation either side of the pinch off voltage
can be seen clearly. The region at voltages lower than the
pinch off value is usually known as the ohmic region.
Saturation region is the term used to describe that part of
the characteristic above the pinch-off voltage. (NB This
definition of saturation is different to that used for bipolar
devices.)

N- EPI Layer

P+

N+

P-

LOPOX

LPCVD NITRIDE

POLYDOX

P+

P+

P+

P+

Source

Guard

Ring

Floating Guard Rings

N- EPI Layer

N+ Substrate

P+

P-

N+

Guard Ring

Polysilicon

Source

Metallization

Gate Ring

Source Ring

Polysilicon
Termination
Plate

(Source)

23

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.6  Pinch off in a Power MOSFET

Fig.7  A typical dc characteristic for an N-channel

enhancement mode MOSFET.

The switching characteristics

The switching characteristics of a Power MOSFET are
determined largely by the various capacitances inherent in
its’ structure. These are shown in Fig.8.

To turn the device on and off the capacitances have to be
charged and discharged, the rate at which this can be
achieved is dependent on the impedance and the current
sinking/sourcing capability of the drive circuit. Since it is
only the majority carriers that are involved in the conduction
process, MOSFETs do not suffer from the same storage
time problems which limit bipolar devices where minority
carriers have to be removed during turn-off. For most
applications therefore the switching times of the Power

Fig.8.   The internal capacitances of a Power MOSFET.

MOSFET are limited only by the drive circuit and can be
very fast. Temperature has only a small effect on device
capacitances therefore switching times are independent of
temperature.

In Fig.9 typical gate-source and drain-source voltages for
a MOSFET switching current through a resistive load are
shown. The gate source capacitance needs to be charged
up to a threshold voltage of about 3 V before the MOSFET
begins to turn on. The time constant for this is C

GS

(R

DR

+R

G

)

and the time taken is called the turn-on delay time (t

D(ON)

).

As V

GS

starts to exceed the threshold voltage the MOSFET

begins to turn on and V

DS

begins to fall. C

GD

now needs to

be discharged as well as C

GS

being charged so the time

constant is increased and the gradient of V

GS

is reduced.

As V

DS

becomes less than V

GS

the value of C

GD

increases

sharply since it is depletion dependent.

A plateau thus

occurs in the V

GS

characteristic as the drive current goes

into the charging of C

GD

.

VGS
10 V

Ohmic Drop

7 V

3 V Net Gate to Channel

10 V Gate to Channel

Polysilicon Gate

Gate Oxide

P-

Source

Channel

N-

Pinch Off

Id

+

D

S

G

Cgs

Cgd

Cds

0

VDS / V

ID / A

BUK4y8-800A

20 

15 

10 

4

5

6

4.5

5.5

10

10

20

30

VGS / V =

24

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.9.   The switching waveforms for a MOSFET.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

50 

40 

30 

20 

10 

Time (Microseconds)

Voltage (Volts)

Drain-Source Voltage

Gate-Source Voltage

Turn-on

Turn-off

When V

DS

has collapsed V

GS

continues to rise as overdrive

is applied.

Gate overdrive is necessary to reduce the

on-resistance of the MOSFET and thereby keep power loss
to a minimum.

To turn the MOSFET off the overdrive has first to be
removed. The charging path for C

GD

and C

DS

now contains

the load resistor (R

L

) and so the turn-off time will be

generally longer than the turn-on time.

The Safe Operating Area

Unlike bipolar devices Power MOSFETs do not suffer from
second breakdown phenomena when operated within their
voltage rating. Essentially therefore the safe operating area
of a Power MOSFET is determined only by the power

necessary to raise its junction temperature to the rated
maximum of 150 ˚C or 175 ˚C (which T

JMAX

depends on

package and voltage rating). Whether a MOSFET is being
operated safely with respect to thermal stress can thus be
determined directly from knowledge of the power function
applied and the thermal impedance characteristics.

A safe operating area calculated assuming a mounting base
temperature of 25 ˚C is shown in Fig.10 for a BUK438-800
device. This plot shows the constant power curves for a
variety of pulse durations ranging from dc to 10 

µ

s. These

curves represent the power levels which will raise T

j

up to

the

maximum

rating.

Clearly

for

mounting

base

temperatures higher than 25 ˚C the safe operating area is
smaller. In addition it is not usually desirable to operate the

25

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

device at its T

JMAX

rating. These factors can be taken into

account quite simply where maximum power capability for
a particular application is calculated from:

T

j

is the desired operating junction temperature (must be

less than T

jmax

)

T

mb

is the mounting base temperature

Z

th

is the thermal impedance taken from the data curves

The safe operating area is bounded by a peak pulse current
limit and a maximum voltage. The peak pulse current is
based on a current above which internal connections may
be damaged. The maximum voltage is an upper limit above
which the device may go into avalanche breakdown.

Fig.10.   The Safe Operating Area of the BUK438-800.

In a real application the case temperature will be greater
than 25 ˚C because of the finite thermal impedance of
practical heatsinks. Also a junction temperature of between
80 ˚C and 125 ˚C would be preferable since this improves
reliability.

If a nominal junction temperature of 80 ˚C

instead of 150 ˚C is used then the ability of the MOSFET
to withstand current spikes is improved.

Causes of Power Loss

There are four main causes of power dissipation in
MOSFETs.

Conduction losses - The conduction losses (P

C

) are given

by equation (1).

It is important to note that the on-resistance of the MOSFET
when it is operated in the Ohmic region is dependent on
the junction temperature. On-resistance roughly doubles
between 25 ˚C and 150 ˚C, the exact characteristics are
shown in the data sheets for each device.

Switching losses - When a MOSFET is turned on or off it
carries a large current and sustains a large voltage at the
same time.

There is therefore a large power dissipation

during the switching interval.

Switching losses are

negligible at low frequencies but are dominant at high
frequencies.

The cross-over frequency depends on the

circuit configuration. For reasons explained in the section
on switching characteristics, a MOSFET usually turns off
more slowly than it turns on so the losses at turn-off will be
larger than at turn-on. Switching losses are very dependent
on circuit configuration since the turn-off time is affected by
the load impedance.

Turn-off losses may be reduced by the use of snubber
components connected across the MOSFET which limit the
rate of rise of voltage. Inductors can be connected in series
with the MOSFET to limit the rate of rise of current at turn-on
and reduce turn-on losses. With resonant loads switching
can take place at zero crossing of voltage or current so
switching losses are very much reduced.

Diode losses - These losses only occur in circuits which
make use of the antiparallel diode inherent in the MOSFET
structure. A good approximation to the dissipation in the
diode is the product of the diode voltage drop which is
typically less than 1.5 V and the average current carried by
the diode. Diode conduction can be useful in such circuits
as pulse width modulated circuits used for motor control, in
some stepper motor drive circuits and in voltage fed circuits
feeding a series resonant load.

Gate losses - The losses in the gate are given in equation
2 where R

G

is the internal gate resistance, R

DR

is the external

drive resistance, V

GSD

is the gate drive voltage and C

IP

is

the capacitance seen at the input to the gate of the
MOSFET.

The input capacitance varies greatly with the gate drain
voltage so the expression in equation 3 is more useful.

(3)

Where Q

G

is the peak gate charge.

Parallel Operation

If power requirements exceed those of available devices
then increased power levels can be achieved by parallelling
devices.

Parallelling of devices is made easier using

P

max

=

(

T

j

T

mb

)

Z

th

10

1000

VDS / V

ID / A

100 

10 

0.1 

 100 us

   1 ms

  10 ms

RDS(ON) = VDS/ID

 100 ms

   DC

 10 us

 tp =

BUK438-800

100

A

B

P

G

=

C

IP

.

V

GSD

2

.

f

.

R

G

(

R

G

+

R

DR

)

(

2

)

P

G

=

Q

G

.

V

GSD

.

f

.

R

G

(

R

G

+

R

DR

)

(

3

)

P

C

=

I

D

2

.

R

DS

(

ON

)

(

1

)

26

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

MOSFETs because they have a positive temperature
coefficient of resistance. If one parallelled MOSFET carries
more current than the others it becomes hotter.

This

causes the on-resistance of that particular device to
become greater than that of the others and so the current
in it reduces. This mechanism opposes thermal runaway
in one of the devices. The positive temperature coefficient
also helps to prevent hot spots within the MOSFET itself.

Applications of Power MOSFETs

Power MOSFETs are ideally suited for use in many
applications, some of which are listed below. Further
information on the major applications is presented in

subsequent chapters.

Chapter 2: Switched mode power supplies (SMPS)

Chapter 3: Variable speed motor control.

Chapter 5: Automotive switching applications.

Conclusions

It can be seen that the operation of the Power MOSFET is
relatively easy to understand.

The advantages of fast

switching times, ease of parallelling and low drive power
requirements make the device attractive for use in many
applications.

27

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

1.2.2  Understanding Power MOSFET Switching Behaviour

Power MOSFETs are well known for their ease of drive and
fast switching behaviour. Being majority carrier devices
means they are free of the charge storage effects which
inhibit the switching performance of bipolar products. How
fast a Power MOSFET will switch is determined by the
speed at which its internal capacitances can be charged
and discharged by the drive circuit. MOSFET switching
times are often quoted as part of the device data however
as an indication as to the true switching capability of the
device, these figures are largely irrelevant. The quoted
values are only a snapshot showing what will be achieved
under the stated conditions.

This report sets out to explain the switching characteristics
of Power MOSFETs. It will consider the main features of
the switching cycle distinguishing between what is device
determinant and what can be controlled by the drive circuit.
The requirements for the drive circuit are discussed in terms
of the energy that it must supply as well as the currents it
is required to deliver.

Finally, how the drive circuit

influences switching performance, in terms of switching
times, dV/dt and dI/dt will be reviewed.

Voltage dependent capacitance

The switching characteristics of the Power MOSFET are
determined by its capacitances. These capacitances are
not fixed but are a function of the relative voltages between
each of the terminals. To fully appreciate Power MOSFET
switching, it is necessary to understand what gives rise to
this voltage dependency.

Parallel plate capacitance is expressed by the well known
equation

where ’a’ is the area of the plates, d is the separating
distance and

Ε

is the permittivity of the insulating material

between them. For a parallel plate capacitor, the plates are
surfaces on which charge accumulation / depletion occurs
in response to a change in the voltage applied across them.
In a semiconductor, static charge accumulation / depletion
can occur either across a PN junction or at semiconductor
interfaces either side of a separating oxide layer.

i) P-N junction capacitance

The

voltage

supporting

capability

of

most

power

semiconductors is provided by a reverse biased P-N
junction. The voltage is supported either side of the junction
by a region of charge which is exposed by the applied
voltage.

(Usually referred to as the depletion region

because it is depleted of majority carriers.) Fig.1 shows
how the electric field varies across a typical P-N

-

junction

for a fixed dc voltage. The shaded area beneath the curve
must be equal to the applied voltage. The electric field
gradient is fixed, independent of the applied voltage,
according to the concentration of exposed charge. (This is
equal to the background doping concentration used during
device manufacture.) A slight increase in voltage above
this dc level will require an extension of the depletion region,
and hence more charge to be exposed at its edges, this is
illustrated in Fig.1. Conversely a slight reduction in voltage
will cause the depletion region to contract with a removal
of exposed charge at its edge. Superimposing a small ac
signal on the dc voltage thus causes charge to be added
and subtracted at either side of the depletion region of width
d1. The effective capacitance per unit area is

Since the depletion region width is voltage dependent it can
be seen from Fig.1 that if the dc bias is raised to say V2,
the junction capacitance becomes

Junction capacitance is thus dependent on applied voltage
with an inverse relationship.

Fig.1  Voltage dependence of a PN junction

capacitance

ii) Oxide capacitance

Fig.2 shows two semiconductor layers separated by an
insulating oxide. In this case the surface layer is polysilicon
(representative of the PowerMOS gate structure) and the
lower layer is a P-type substrate. Applying a negative
voltage to the upper layer with respect to the lower will cause
positive charge accumulation at the surface of the P-doped

C1

=

Ε

d1

2

C2

=

Ε

d2

3

E

x

d1
d2

V1

V2

 N type silicon

P type silicon

C

= Ε

a
d

1

29

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

material (positively charged holes of the P material are
attracted by the negative voltage). Any changes in this
applied voltage will cause a corresponding change in the
accumulation layer charge. The capacitance per unit area
is thus

where t = oxide thickness

Applying a positive voltage to the gate will cause a depletion
layer to form beneath the oxide, (ie the positively charged
holes of the P-material are repelled by the positive voltage).
The capacitance will now decrease with increasing positive
gate voltage as a result of widening of the depletion layer.
Increasing the voltage beyond a certain point results in a
process known as inversion;

electrons pulled into the

conduction band by the electric field accumulate at the
surface of the P-type semiconductor. (The voltage at which
this occurs is the threshold voltage of the power MOSFET.)
Once the inversion layer forms, the depletion layer width
will not increase with additional dc bias and the capacitance
is thus at its minimum value.

(NB the electron charge

accumulation at the inversion layer cannot follow a high
frequency ac signal in the structure of Fig.2, so high
frequency capacitance is still determined by the depletion
layer width.)

The solid line of Fig.3 represents the

capacitance-voltage characteristic of an MOS capacitor.

Fig.2  Oxide capacitance

In a power MOSFET the solid line is not actually observed;
the formation of the inversion layer in the P-type material
allows electrons to move from the neighbouring N

+

-source,

the inversion layer can therefore respond to a high
frequency gate signal and the capacitance returns to its
maximum value, dashed line of Fig.3.

Fig.3  C-V plot for MOS capacitance

Power MOSFET capacitances

Fig.4  Parasitic capacitance model

The circuit model of Fig.4 illustrates the parasitic
capacitances of the Power MOSFET. Most PowerMOS
data sheets do not refer to these components but to input
capacitance Ciss, output capacitance Coss and feedback
capacitance Crss. The data sheet capacitances relate to
the primary parasitic capacitances of Fig.4 as follows:

Ciss: Parallel combination of Cgs and Cgd
Coss: Parallel combination of Cds and Cgd
Crss: Equivalent to Cgd

Fig.5 shows the cross section of a power MOSFET cell
indicating where the parasitic capacitances occur internally.

Cox

C

Bias Voltage

(Polysilicon to P-type silicon)

Cox

=

Ε

t

4

Cgd

Cds

Cgs

G

S

D

t

oxide

P type silicon

Polysilicon

30

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.5  Cross section of a single PowerMOS cell showing

internal capacitance

The capacitance between drain and source is a P-N junction
capacitance, varying in accordance with the width of the
depletion layer, which in turn depends on the voltage being
supported by the device. The gate source capacitance
consists of the three components, CgsN

+

, CgsP and CgsM.

Of these CgsP is across the oxide which will vary according
to the applied gate source voltage as described above.

Of particular interest is the feedback capacitance Cgd. It
is this capacitance which plays a dominant role during
switching and which is also the most voltage dependent.
Cgd is essentially two capacitors in series such that

CgsN+

CgsM

Oxide

Polysilicon

N+

P-

P

N-

N+

Metalization

Source

Drain

Gate

Cgdbulk

Cgdox

CgsP

Cds

Depletion Layer

1

Cgd

=

1

Cgdox

+

1

Cgdbulk

5

Fig.6  How Cgd is affected by voltage

Oxide

Polysilicon

N+

P-

P

N-

N+

Metalization

Source

Drain

Gate

Depletion Layer Widths 

Area of Oxide 
Capacitance Exposed
for Voltages V1 & V2

For Three Applied Voltages

Width for Cgdbulk

at Voltage V3

V3

V2

V1

31

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.6 illustrates how this capacitance is affected by the drain
to gate voltage. With a large voltage drain to gate, Cgdbulk
is very small due to the wide depletion region and thus
maintains Cgd at a low value. As the voltage is reduced
the depletion region shrinks until eventually the oxide
semiconductor interface is exposed. This occurs as Vdg
approaches 0 V. Cgdox now dominates Cgd. As Vdg is
further reduced the drain will become negative with respect
to the gate (normal on-state condition) an increasing area
of the oxide-semiconductor interface is exposed and an
accumulation layer forms at the semiconductor surface.
The now large area of exposed oxide results in a large value
for Cgdox and hence Cgd. Fig.7 shows Cgd plotted as a
function of drain to gate voltage. This illustrates the almost
step increase in capacitance at the point where Vgs = Vgd.

Fig.7  How Cgd varies with drain to gate voltage

Charging cycle - The Gate Charge
Oscillogram

The switching cycle of a power MOSFET can be clearly
observed by applying a constant current to the gate and
using a constant current source as the load, Fig.8. In this
circuit the MOSFET is turned on by feeding a constant
current of 1 mA on to the gate, conversely the device is
turned off by extracting a constant current of 1 mA from the
gate. The gate and drain voltages with respect to source
can be monitored on an oscilloscope as a function of time.
Since Q = it, a 1 

µ

sec period equates to 1 nc of charge

applied to the gate. The gate source voltage can thus be
plotted as a function of charge on the gate. Fig.9 shows
such a plot for the turn-on of a BUK555-100A, also shown
is the drain to source voltage. This gate voltage plot shows
the characteristic shape which results from charging of the
power MOSFETs input capacitance. This shape arises as
follows: (NB the following analysis uses the two circuit
models of Fig.10 to represent a MOSFET operating in the
active region (a) and the ohmic region (b). In the active

region the MOSFET is a constant current source where the
current is a function of the gate-source voltage. In the ohmic
region the MOSFET is in effect just a resistance.)

Fig.8  Gate charge circuit

At time, t0 (Fig.9), the gate drive is activated. Current flows
into the gate as indicated in Fig.11(a), charging both Cgs
and Cgd. After a short period the threshold voltage is
reached and current begins to rise in the MOSFET. The
equivalent circuit is now as shown in Fig.11(b). The drain
source voltage remains at the supply level as long as id < I0
and the free wheeling diode D is conducting.

Fig.9  Gate charge plot for a BUK555-100A (Logic Level

FET)

Vdd

Vdg

0

Cdg

0

10

20

30

40

26 

24 

22 

20 

18 

16 

14 

12 

10 

(V)

(us)

(1us = 1 nc for Vgs plot)

Vds

Vgs

BUK555-100A

(@ Id = 25 A)

t0

t1

t2

32

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The current in the MOSFET continues to rise until id = I0,
since the device is still in its active region, the gate voltage
becomes clamped at this point, (t1). The entire gate current
now flows through Cgd causing the drain-source voltage to
drop as Cgd is discharged, Fig.11(c). The rate at which
Vds falls is given by:

As Vdg approaches zero, Cgd starts to increase
dramatically, reaching its maximum as Vdg becomes
negative. dVds/dt is now greatly reduced giving rise to the
voltage tail.

Once the drain-source voltage has completed its drop to
the on-state value of I0.R

DS(ON)

, (point t2), the gate source

voltage becomes unclamped and continues to rise,
Fig.11(d). (NB dVgs/dQ in regions 1 and 3 indicates the

input capacitance values.)

Fig.10  Equivalent circuits for a Power MOSFET during

switching

G

D

S

Cgd

Cgs

id = f(Vgs)

G

D

S

Cgd

Cgs

Rds(on)

(a)

(b)

dVds

dt

=

dVdg

dt

=

ig

Cgd

6

Fig.11  Charging the parasitic capacitance during turn-on

Vdd

Cgd

Cgs

Io

(a)

Vdd

Cgd

Cgs

id = f(Vgs)

Io

(b)

Vdd

Cgd

Cgs

id = f(Vgs)

Io

(c)

Vdd

Cgd

Cgs

Rds(on)

Io

(d)

33

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The gate charge oscillogram can be found in the data for
all Philips PowerMOS devices. This plot can be used to
determine the required average gate drive current for a
particular switching speed. The speed is set by how fast
the charge is supplied to the MOSFET.

Energy consumed by the switching event

In the majority of applications the power MOSFET will be
driven not from a constant current source but via a fixed

gate drive impedance from a voltage source. Fig.13 shows
the voltage on a voltage independent capacitor as a function
of charge. The area beneath the charge vs voltage curve
equals the stored energy (E = Q.V/2). The area above the
charge vs voltage curve (bounded by the supply voltage)
is the amount of energy dissipated during the charging cycle
from a fixed voltage source. The total energy delivered by
the supply is therefore Q.V, where 1/2 Q.V is stored on the
capacitor to be dissipated during the discharge phase.

Fig.12  Gate charging cycle

t0

t1

t2

t3

t4

t5

t6

1a

2a

3a

1b

2b

3b

4a

4b

Vgg

Vdd

Output Capacitance

34

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Although the voltage vs charge relationship for the
MOSFETs gate is not linear, energy loss is easily identified.
The following discussion assumes a simple drive circuit
consisting of a voltage source and drive resistance.

From t0 to t1 energy is stored in the gate capacitance which
is equal to the area of region 1a. Since this charge has
fallen through a voltage Vgg - Vgs(t), the area of region 1b
represents the energy dissipated in the drive resistance
during its delivery. Between t1 and t2 all charge enters
Cgd, the area of region 2a represents the energy stored in
Cgd while 2b again corresponds with the energy dissipation
in the drive resistor. Finally, between t2 and t3 additional
energy is stored by the input capacitance equal to the area
of region 3a.

Fig.13  Energy stored on a capacitor

The total energy dissipated in the drive resistance at turn-on
is therefore equal to the area 1b + 2b + 3b.

The

corresponding energy stored on the input capacitance is
1a + 2a + 3a, this energy will be dissipated in the drive
resistance at turn-off. The total energy expended by the
gate drive for the switching cycle is Q.Vgg.

As well as energy expended by the drive circuit, a switching
cycle will also require energy to be expended by the drain
circuit due to the charging and discharging of Cgd and Cds
between the supply rail and V

DS(ON)

. Moving from t5 to t6

the drain side of Cgd is charged from Io.R

DS(ON)

to Vdd. The

drain circuit must therefore supply sufficient current for this
charging event. The total charge requirement is given by
the plateau region, Q6 - Q5. The area 4a (Fig.12) under
the drain-source voltage curve represents the energy
stored by the drain circuit on Cgd during turn-on. Region
4b represents the corresponding energy delivered to the
load during this period. The energy consumed from the
drain supply to charge and discharge Cgd over one
switching cycle is thus given by:

(The energy stored on Cgd during turn-off is dissipated
internally in the MOSFET during turn-on.) Additional energy
is also stored on Cds during turn-off which again is
dissipated in the MOSFET at turn-on.

The energy lost by both the gate and drain supplies in the
charging and discharging of the capacitances is very small
over 1 cycle; Fig.9 indicates 40 nc is required to raise the
gate voltage to 10 V, delivered from a 10 V supply this
equates to 400 nJ; to charge Cgd to 80 V from an 80 V
supply will consume 12 nc x 80 V = 1.4 

µ

J.

Only as

switching frequencies approach 1 MHz will this energy loss
start to become significant. (NB these losses only apply to
square wave switching, the case for resonant switching is
some-what different.)

Switching performance

1) Turn-on

The parameters likely to be of most importance during the
turn-on phase are,

turn-on time
turn-on loss
peak dV/dt
peak dI/dt.

Turn-on time is simply a matter of how quickly the specified
charge can be applied to the gate. The average current
that must be supplied over the turn-on period is

For repetitive switching the average current requirement of
the drive is

where f = frequency of the input signal

Turn-on loss occurs during the initial phase when current
flows in the MOSFET while the drain source voltage is still
high. To minimise this loss, a necessary requirement of
high frequency circuits, requires the turn-on time to be as
small as possible. To achieve fast switching the drive circuit
must be able to supply the initial peak current, given by
equation 10.

Voltage

Charge

Stored Energy

Supply Voltage

I

on

=

Q

t

on

8

I

=

Q

.

f

9

W

DD

= (

Q

6

Q

5

).(

V

DD

V

DS

(

ON

)

)

7

35

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.14  Bridge Circuit

One of the main problems associated with very fast
switching MOSFETs is the high rates of change in voltage
and current.

High values of dV/dt can couple through

parasitic capacitances to give unwanted noise on signal
lines. Similarly a high dI/dt may react with circuit inductance
to give problematic transients and overshoot voltages in the
power circuit. dI/dt is controlled by the time taken to charge
the input capacitance up to the plateau voltage, while dV/dt
is governed by the rate at which the plateau region is moved
through.

Particular care is required regarding dV/dt when switching
in bridge circuits, (Fig.14). The free wheeling diode will
have associated with it a reverse recovery current. When
the opposing MOSFET switches on, the drain current rises
beyond the load current value Io to a value Io + Irr.
Consequently Vgs increases beyond Vgt(Io) to Vgt(Io + Irr)
as shown in Fig.15. Once the diode has recovered there
is a rapid decrease in Vgs to Vgt(Io) and this rapid decrease
provides additional current to Cgd on top of that being
supplied by the gate drive. This in turn causes Vdg and
Vds to decrease very rapidly during this recovery period.

The dV/dt in this period is determined by the recovery
properties of the diode in relation to the dI/dt imposed upon
it by the turn-on of the MOSFET, (reducing dI/dt will reduce
this dV/dt, however it is best to use soft recovery diodes).

Fig.15  Gate charging cycle for a bridge circuit

ii) Turn-off

The parameters of most importance during the turn-off
phase are,

turn-off time
turn-off loss
peak dVds/dt
peak dId/dt.

Turn-off of a power MOSFET is more or less the inverse of
the turn-on process.

The main difference is that the

charging current for Cgd during turn-off must flow through
both the gate circuit impedance and the load impedance.
A high load impedance will thus slow down the turn-off
speed.

The speed at which the plateau region is moved through
determines the voltage rise time. In most applications the
charging current for Cgd will be limited by the gate drive
circuitry. The charging current, assuming no negative drive,
is simply

and the length of the plateau region will be

T1

T2

D1

D2

Load

Vdd

0

Vdd

0

0

Vgt(Io)

Vgt(Io + Irr)

Gate Source Voltage

Drain Source Voltage

MOSFET Current

0

Io

Io + Irr

Diode Current

0

Io

Irr

t

I

pk

=

V

GG

R

g

10

dVds

dt

=

ig

Cgd

=

V

GG

V

GT

R

G

.

Cgd

11

i

=

Vgt

R

G

12

tp

=

Q

.

R

G

Vgt

13

36

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The implications for low threshold (Logic Level) MOSFETs
are clear from the above equations. The lower value of Vgt
will mean a slower turn-off for a given gate impedance when
compared to an equivalent standard threshold device.
Equivalent switching therefore requires a lower drive
impedance to be used.

Conclusions

In theory the speed of a power MOSFET is limited only by
the parasitic inductances of its internal bond wires. The

speed is essentially determined by how fast the internal
capacitances can be charged and discharged by the drive
circuit. Switching speeds quoted in data should be treated
with caution since they only reflect performance for one
particular drive condition. The gate charge plot is a more
useful way of looking at switching capability since it
indicates how much charge needs to be supplied by the
drive to turn the device on. How fast that charge should be
applied depends on the application and circuit performance
requirements.

37

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

1.2.3  Power MOSFET Drive Circuits

MOSFETs are being increasingly used in many switching
applications because of their fast switching times and low
drive power requirements. The fast switching times can
easily be realised by driving MOSFETs with relatively
simple drive circuits. The following paragraphs outline the
requirements of MOSFET drive circuits and present various
circuit examples. A look at the special requirements of very
fast switching circuits is also presented, this can be found
in the latter part of this article.

The requirements of the drive circuit

The switching of a MOSFET involves the charging and
discharging of the capacitance between the gate and
source terminals. This capacitance is related to the size of
the MOSFET chip used typically about 1-2 nF. A
gate-source voltage of 6V is usually sufficient to turn a
standard MOSFET fully on. However further increases in
gate-to-source voltage are usually employed to reduce the
MOSFETs on-resistance. Therefore for switching times of
about 50 ns, applying a 10 V gate drive voltage to a
MOSFET with a 2 nF gate-source capacitance would
require the drive circuit to sink and source peak currents of
about 0.5 A. However it is only necessary to carry this
current during the switching intervals.

The gate drive power requirements are given in equation
(1)

where Q

G

is the peak gate charge, V

GS

is the peak gate

source voltage and f is the switching frequency.

In circuits which use a bridge configuration, the gate
terminals of the MOSFETs in the circuit need to float relative
to each other. The gate drive circuitry then needs to
incorporate some isolation. The impedance of the gate drive
circuit should not be so large that there is a possibility of
dV/dt turn on. dV/dt turn on can be caused by rapid changes
of drain to source voltage. The charging current for the
gate-drain capacitance C

GD

flows through the gate drive

circuit. This charging current can cause a voltage drop
across the gate drive impedance large enough to turn the
MOSFET on.

Non-isolated drive circuits

MOSFETs can be driven directly from a CMOS logic IC as
shown in Fig.1.

Fig.1 A very simple drive circuit utilizing a standard

CMOS IC

Faster switching speeds can be achieved by parallelling
CMOS hex inverting (4049) or non-inverting (4050) buffers
as shown in Fig.2.

Fig.2 Driving Philips PowerMOS with 6 parallelled

buffered inverters.

A push pull circuit can also be used as shown in Fig.3.

The connections between the drive circuit and the MOSFET
should be kept as short as possible and twisted together if
the shortest switching times are required. If both the drive
circuit and the terminals of the MOSFET are on the same
PCB, then the inductance of tracks, between the drive
transistors and the terminals of the MOSFETs, should be
kept as small as possible. This is necessary to reduce the
impedance of the drive circuit in order to reduce the
switching times and lessen the susceptibility of the circuit

4011

4049

0 V

15 V

P

G

=

Q

G

.

V

GS

.

f

1

39

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.3  A drive circuit using a two transistor push pull

circuit.

to dV/dt turn-on of the MOSFET. Attention to layout also
improves

the

immunity

to

spurious

switching

by

interference.

One of the advantages of MOSFETs is that their switching
times can be easily controlled. For example it may be
required to limit the rate of change of drain current to reduce
overshoot on the drain source voltage waveform. The
overshoot may be caused by switching current in parasitic
lead or transformer leakage inductance. The slower
switching can be achieved by increasing the value of the
gate drive resistor.

The supply rails should be decoupled near to fast switching
elements such as the push-pull transistors in Fig.3. An
electrolytic capacitor in parallel with a ceramic capacitor are
recommended since the electrolytic capacitor will not be a
low enough impedance to the fast edges of the MOSFET
drive pulse.

Isolated drive circuits

Some circuits demand that the gate and source terminals
of MOSFETs are floating with respect to those of other
MOSFETs in the circuit. Isolated drive to these MOSFETs
can be provided in the following way:

(a) Opto-isolators.

A drive circuit using an opto-isolator is shown in Fig.4.

A diode in the primary side of the opto-isolator emits
photons when it is forward biased. These photons impinge
on the base region of a transistor in the secondary side.
This causes photogeneration of carriers sufficient to satisfy
the base requirement for turn-on. In this way the
opto-isolator provides isolation between the primary and
secondary of the opto-isolator. An isolated supply is
required for the circuitry on the secondary side of the
opto-isolator. This supply can be derived, in some cases,
from the drain-to-source voltage across the MOSFET being
driven as shown in Fig.5. This is made possible by the low
drive power requirements of MOSFETs.

Fig.4. An isolated drive circuit using an opto-isolator.

4049

0 V

15 V

Opto-Isolator

5 V

40

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.5. An opto-isolated drive circuit with the isolated power supply for the secondary derived from the drain source

voltage of the MOSFET.

4049

0 V

15 V

Opto-Isolator

5 V

Some opto-isolators incorporate an internal screen to
improve the common mode transient immunity. Values as
high as 1000 V/

µ

s are quoted for common mode rejection

which is equivalent to rejecting a 300V peak-to-peak
sinewave.

The faster opto-isolators work off a maximum collector
voltage on the secondary side of 5V so some form of level
shifting may be required.

(b) Pulse transformers.

A circuit using a pulse transformer for isolation is shown in
Fig.6(a).

When T2 switches on, voltage is applied across the primary
of the pulse transformer. The current through T2 consists
of the sum of the gate drive current for T1 and the
magnetising current of the pulse transformer. From the
waveforms of current and voltage around the circuit shown
in Fig.6(b), it can be seen that after the turn off of T2 the
voltage across it rises to V

D

 + V

Z

, where V

Z

is the voltage

across the zener diode Z

D

. The zener voltage V

Z

applied

across the pulse transformer causes the flux in the core to
be reset. Thus the net volt second area across the pulse
transformer is zero over a switching cycle. The minimum
number of turns on the primary is given by equation (2).

where B is the maximum flux density, A

e

is the effective

cross sectional area of the core and t is the time that T2 is
on for.

The circuit in Fig.6(a) is best suited for fixed duty cycle
operation. The zener diode has to be large enough so that
the flux in the core will be reset during operation with the
maximum duty cycle. For any duty cycle less than the
maximum there will be a period when the voltage across
the secondary is zero as shown in Fig.7.

In Fig.8 a capacitor is used to block the dc components of
the drive signal.

Drive circuits using pulse transformers have problems if a
widely varying duty cycle is required. This causes widely
varying gate drive voltages when the MOSFET is off. In
consequence there are variable switching times and
varying levels of immunity to dV/dt turn on and interference.
There are several possible solutions to this problem, some
examples are given in Figs.9 - 12.

N

=

V

.

t

B

.

A

e

2

41

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.6(a)  A circuit using a pulse transformer for isolation.

Fig.6(b)  Waveforms associated with pulse transformer.

Fig.7. The voltage waveforms associated with the circuit

in Fig.6(a) with varying duty cycles.

In the circuit shown in Fig.9 when A is positive with respect
to B the input capacitance of T1 is charged through the
parasitic diode of T2. The voltage across the secondary of
the pulse transformer can then fall to zero and the input
capacitance of T1 will remain charged. (It is sometimes
necessary to raise the effective input capacitance with an
external capacitor as indicated by the dashed lines.) When
B becomes positive with respect to A T2 will turn on and
the input capacitance of T2 will be discharged. The noise
immunity of the circuit can be increased by using another
MOSFET as shown in Fig.10.

Fig.8. A drive circuit using a capacitor to block the dc

component of the drive waveforms.

Fig.9. A drive circuit that uses a pulse transformer for

isolation which copes well with widely varying duty

cycles.

Fig.10. An isolated drive circuit with good performance

with varying duty cycles and increased noise immunity.

In Fig.10 the potential at A relative to B has to be sufficient
to charge the input capacitance of T3 and so turn T3 on
before T1 can begin to turn on.

T1

T2

ZD

Vd

0 V

T1

Primary
Voltage

Voltage

Across T2

time

time

T1

A

B

T2

time

time

High
Duty
Cycle

Low
Duty

Cycle

Secondary
Voltage

T1

A

B

T2

T3

42

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.11. A drive circuit that reduces the size of the pulse transformer.

T1

Q1

h.f. clock

drive signal

In Fig.11 the drive signal is ANDed with a hf clock. If the
clock has a frequency much higher than the switching
frequency of T1 then the size of the pulse transformer is
reduced. The hf signal on the secondary of the pulse

transformer is rectified. Q1 provides a low impedance path
for discharging the input capacitance of T1 when the hf
signal on the secondary of the pulse transformer is absent.

Fig.12 Example of pulse transformer isolated drive with a latching buffer

15 V

Z

HEF40097

2k2

2k2

10T

20T

47 pF

18 k

1 k c18v

DC Link

O V

100R

FX3848

8 uF

2n2

43

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Figure 12 shows a hex non-inverting buffer connected on
the secondary side, with one of the six buffers configured
as a latch. The circuit operates such that the positive going
edge of the drive pulse will cause the buffers to latch into
the high state. Conversely the negative going edge of the
drive pulse causes the buffers to latch into the low state.
With the component values indicated on the diagram this
circuit can operate with pulse on-times as low as 1 

µ

s. The

impedance Z represents either the low side switch in a
bridge circuit (which can be a MOSFET configured with
identical drive) or a low side load.

The impedance of the gate drive circuit may be used to
control the switching times of the MOSFET. Increasing gate
drive impedance however can increase the risk of dV/dt
turn-on.

To try and overcome this problem it may be

necessary to configure the drive as outlined in Fig.13.

(a)

(b)

Fig.13. Two circuits that reduce the risk of dV/dt turn on.

The diode in Fig.13(a) reduces the gate drive impedance
when the MOSFET is turned off. In Fig.13(b) when the drive
pulse is taken away, the pnp transistor is turned on. When
the pnp transistor is on it short-circuits the gate to the source
and so reduces the gate drive impedance.

High side drive circuits

The isolated drive circuits in the previous section can be
used for either high or low side applications. Not all high
side applications however require an isolated drive. Two
examples showing how a high side drive can be achieved
simply with a boot strap capacitor are shown in Fig.14. Both
these circuits depend upon the topping up of the charge on

the boot strap capacitor while the MOSFET is off. For this
reason these circuits cannot be used for dc switching. The
minimum operating frequency is determined by the size of
the boot strap capacitor (and R1 in circuit (a)), as the
operating frequency is increased so the value of the
capacitor can be reduced. The circuit example in Fig. 14(a)
has a minimum operating frequency of 500 Hz.

Fig.14(a) Drive circuit for a low voltage half bridge

circuit.

At high frequencies it may be necessary to replace R1 with
the transistor T3 as shown in Fig.14(b). This enables very
fast turn-off times which would be difficult to achieve with
circuit (a) since reducing R1 to a low value would cause the
boot strap capacitor to discharge during the on-period. The
impedance Z represents either the low side switch part of
the bridge or the load.

Fig.14(b) Modification for fast turn-off.

Very fast drive circuits for frequencies up
to 1 MHz

The following drive circuits can charge the gate source
capacitance particularly fast and so realise extremely short
switching times. These fast transition times are necessary
to reduce the switching losses. Switching losses are directly
proportional to the switching frequency and are greater than
conduction losses above a frequency of about 500 kHz,

Vin

T1

T2

C

6.8uF

R1

47R

10k

22k

1k0

Z

24V

0V

T1

D1

R1

R2

T1

24V

Vin

T1

T2

C

T3

Z

0V

44

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

although this crossover frequency is dependent on circuit
configuration. Thus for operation above 500 kHz it is
important to have fast transition times.

At frequencies below 500 kHz the circuit in Fig.15 is often
used. Above 500 kHz the use of the DS0026 instead of the
4049 is recommended. The DS0026 has a high current
sinking and sourcing capability of 2.5 A. It is a National
Semiconductor device and is capable of charging a
capacitance of 100 pF in as short a time as 25 ns.

Fig.15 A MOSFET drive circuit using a hex CMOS

buffered inverter IC

In Fig.16 the value of capacitor C1 is made approximately
equal to the input capacitance of the driven MOSFET. Thus
the RC time constant

for the charging circuit is

approximately

halved.

The

disadvantage

of

this

arrangement is that a drive voltage of 30V instead of 15V
is needed because of the potential divider action of C1 and
the input capacitance of the driven MOSFET. A small value
of C1 would be ideal for a fast turn on time and a large value
of C1 would produce a fast turn off. The circuit in Fig.17
replaces C1 by two capacitors and enables fast turn on and
fast turn off.

Fig.16  A simple drive circuit with reduced effective

input capacitance

For the circuit in Fig.17 when MOSFET T1 is turned on the
driven MOSFET T3 is driven initially by a voltage V

DD

feeding three capacitors in series, namely C1, C2 and the
input capacitance of T3. Since the capacitors are in series
their equivalent capacitance will be low and so the RC time
constant of the charging circuit will be low. C1 is made low
to make the turn on time very fast.

Fig.17 A drive circuit with reduced effective input

capacitance and prolonged reverse bias at turn off.

The voltage across C2

will then settle down

to

(V

DD

 - V

ZD1

) R2/(R1 + R2).

Therefore the inclusion of

resistors R1 and R2 means that C2 can be made larger
than C1 and still have a large voltage across it before the
turn off of T3. Thus C2 can sustain a reverse voltage across
the gate source of T3 for the whole of the turn off time. The
initial discharging current will be given by Equation 3,

Making V

DD

large will make turn on and turn off times very

small.

Fast switching speeds can be achieved with the push pull
circuit of Fig.19. A further improvement can be made by
replacing the bipolar devices by MOSFETs as shown in
Fig.20. The positions of the P and N channel MOSFETs
may be interchanged and connected in the alternative
arrangement of Fig.21. However it is likely that one
MOSFET will turn on faster than the other turns off and so
the circuit in Fig.21 may cause a current spike during the
switching interval. The peak to average current rating of
MOSFETs is excellent so this current spike is not usually
a problem. In the circuit of Fig.20 the input capacitance of
the driven MOSFET is charged up to V

DD

 - V

T

, where V

T

is

the threshold voltage, at which point the MOSFET T1 turns
off. Therefore when T2 turns on there is no current spike.

Vdd

T1

T2

T3

ZD1

C2

R1

C1

ZD2

R2

4049

0 V

15 V

I

=

V

ZD1

+

R

2

.(

V

DD

V

ZD1

)

(

R

1

+

R

2

)

R

STRAY

+

R

DS

(

ON

)

T2

3

30 V

0 V

C1 = 2 nF

45

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.18 A comparison of the switching times for

MOSFETs driven from a constant current source and a

constant voltage source.

Fig.19 A push-pull drive circuit using bipolar transistors

There may well be some advantages in charging the input
capacitance of the MOSFET from a constant current source
rather than a constant voltage source. For a given drain
source voltage a fixed amount of charge has to be
transferred to the input capacitance of a MOSFET to turn
it on. As illustrated in Fig.18 this charge can be transferred
more quickly with a constant current of magnitude equal to
the peak current from a constant voltage source.

A few other points are worthy of note when discussing very
fast drive circuits.

(1) SMPS working in the 1 - 15 MHz range sometimes use
resonant drive circuits. These SMPS are typically QRC
(Quasi Resonant Circuits). The resonant drive circuits do
not achieve faster switching by the fact that they are
resonant. But by being resonant, they recoup some of the
drive energy and reduce the gate drive power. There are
two main types of QRC - zero voltage and zero current
switching circuits. In one of these types, fall times are not
critical and in the other, rise times are not critical. On the

critical switching edge, a normal, fast switching edge is
provided by using a circuit similar to those given above. For
the non-critical edge there is a resonant transfer of energy.
Thus drive losses of Q

G

.V

GS

.f become 0.5.Q

G

.V

GS

.f.

Fig.20 A push-pull drive circuit using MOSFETs in the

common drain connection.

Fig.21 A push-pull drive circuit using MOSFETs in the

common source connection

(2) It is usual to provide overdrive of the gate source voltage.
This means charging the input capacitance to a voltage
which is more than sufficient to turn the MOSFET fully on.
This has advantages in achieving lower on-resistance and
increasing noise immunity. The gate power requirements
are however increased when overdrive is applied. It may
well be a good idea therefore to drive the gate with only
12 V say instead of 15 V.

(3) It is recommended that a zener diode be connected
across the gate source terminals of a MOSFET to protect
against over voltage. This zener can have a capacitance
which is not insignificant compared to the input capacitance
of small MOSFETs. The zener can thus affect switching
times.

Constant

Current

Constant

Voltage

A1

A2

A1 = A2

T1

T2

time

time

I

I

Vdd

T1

T2

Vdd

T1

T2

46

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Parallel operation

Power MOSFETs lend themselves readily to operation in
parallel since their positive temperature coefficient of
resistance opposes thermal runaway. Since MOSFETs
have low gate drive power requirements it is not normally
necessary to increase the rating of drive circuit components
if more MOSFETs are connected in parallel. It is however
recommended that differential resistors are used in the
drive circuits as shown in Fig.22.

Fig.22. A drive circuit suitable for successful parallelling

of Philips MOSFETs incorporating differential resistors.

These differential resistors (R

D

) damp down possible

oscillations between reactive components in the device and
in connections around the MOSFETs, with the MOSFETs
themselves, which have a high gain even up to 200 MHz.

Protection against gate-source
overvoltages

It is recommended that zener diodes are connected across
the gate-source terminals of the MOSFET to protect against
voltage spikes. One zener diode or two back-to-back zener
diodes

are

necessary

dependent

on

whether

the

gate-source is unipolar or bipolar, as shown in Fig.23.

The zener diodes should be connected close to the
terminals of the MOSFET to reduce the inductance of the
connecting leads. If the inductance of the connecting leads
is too large it can support sufficient voltage to cause an
overvoltage across the gate-source oxide.

In conclusion the low drive power requirement of Philips
PowerMOS make provision of gate drive circuitry a
relatively straightforward process as long as the few
guide-lines outlined in this note are heeded.

Rd

Rd

Fig.23. Zener diodes used to suppress voltage spikes across the gate-source terminals of the MOSFET.

T1

4011

47

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

1.2.4  Parallel Operation of Power MOSFETs

This section is intended as a guide to the successful
parallelling of Power MOSFETs in switching circuits.

Advantages of operating devices in
parallel

Increased power handling capability

If power requirements exceed those of available devices
then increased power levels can be achieved by parallelling
devices. The alternative means of meeting the power
requirements would be to increase the area of die. The
processing of the larger die would have a lower yield and
so the relative cost of the die would be increased. The larger
die may also require a more expensive package.

Standardisation

Parallelling devices can mean that only one package, say
the TO220 package, needs to be used. This can result in
reduced production costs.

Increased operating frequency

Packages are commercially available which contain upto
five die connected in parallel. The switching capabilities of
these packages are typically greater than 10 kVA. The
parasitic inductances of connections to the parallelled dies
are different for each die. This means that the current rating
of the package has to be derated at high frequencies to
allow for unequal current sharing. The voltage rating of the
multiple die package has to be derated for higher switching
speeds. This is because the relatively large inductances of
connections within the package sustain appreciable
voltages during the switching intervals. This means that the
voltages at the drain connections to the dice will be
appreciably greater than voltages at the terminals of the
package. By parallelling discrete devices these problems
can be overcome.

Faster switching speeds are achieved using parallelled
devices than using a multiple die package. This is because
switching times are adversely affected by the impedance
of the gate drive circuit. When devices are parallelled these
impedances are parallelled and so their effect is reduced.
Hence faster switching times and so reduced switching
losses can be achieved.

Faster switching speeds improve parallelling. During
switching intervals one MOSFET may carry more current
than other MOSFETs in parallel with it. This is caused by
differences in electrical parameters between the parallelled
MOSFETs themselves or between their drive circuits. The
increased power dissipation in the MOSFET which carries
more current will be minimised if switching speeds are

increased. The inevitable inductance in the source
connection, caused by leads within the package, causes a
negative feedback effect during switching. If the rate of rise
of current in one parallelled MOSFET is greater than in the
others then the voltage drop across inductances in its drain
and source terminals will be greater. This will oppose the
build up of current in this MOSFET and so have a balancing
effect. This balancing effect will be greater if switching
speeds are faster. This negative feedback effect reduces
the deleterious effect of unequal impedances of drive circuit
connections to parallelled MOSFETs. The faster the
switching speeds then the greater will be the balancing
effect of the negative feedback. Parallelling devices
enables higher operating frequencies to be achieved than
using multiple die packages. The faster switching speeds
possible by parallelling at the device level promote better
current sharing during switching intervals.

Increased power dissipation capability

If two devices, each rated for half the total required current,
are parallelled then the sum of their individual power
dissipation capabilities will be more than the possible power
dissipation in a single device rated for the total required
current. This is especially useful for circuits operating above
100 kHz where switching losses predominate.

Fig.1. A typical graph of on resistance versus

temperature for a Power MOSFET

-60

-20

20

60

100

140

180

1.9 

1.8 

1.7 

1.6 

1.5 

1.4 

1.3 

1.2 

1.1 

0.9 

0.8 

0.7 

0.6 

0.5 

0.4 

0.3 

0.2 

0.1 

Normalised Resistance

Junction Temperature (  C)

49

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Advantages of power MOSFETs for
parallel operation

Reduced likelihood of thermal runaway

If one of the parallelled devices carries more current then
the power dissipation in this device will be greater and its
junction temperature will increase. The temperature
coefficient of R

DS(ON)

for Power MOSFETs is positive as

shown in Fig.1. Therefore there will be a rise in R

DS(ON)

for

the device carrying more current. This mechanism will
oppose thermal runaway in parallelled devices and also in
parallelled cells in the device.

Low Drive Power Requirements

The low drive power requirements of power MOSFETs
mean that many devices can be driven from the same gate
drive that would be used for one MOSFET.

Very good tolerance of dynamic
unbalance

The peak to average current carrying capability of power
MOSFETs is very good. A device rated at 8A continuous
drain current can typically withstand a peak current of about
30A. Therefore, for the case of three 8A devices in parallel,
if one of the devices switches on slightly before the others
no damage will result since it will be able to carry the full
load current for a short time.

Design points

Derating

Since there is a spread in on-resistance between devices
from different batches it is necessary to derate the
continuous current rating of parallelled devices by about
20%.

Layout

There are two aspects to successful parallelling which are
static and dynamic balance. Static balance refers to equal
sharing of current between parallelled devices when they
have been turned on. Dynamic balance means equal
sharing of current between parallelled transistors during
switching intervals.

Unsymmetrical layout of the circuit causes static imbalance.
If the connections between individual MOSFETs and the
rest of the power circuit have different impedances then
there will be static imbalance. The connections need to be
kept as short as possible to keep their inductance as small
as possible. Symmetrical layout is particularly important in
resonant circuits where MOSFETs carry a sinusoidal
current e.g. in a voltage fed inverter feeding a series
resonant circuit. In a current fed inverter, where switching
in the inversion stage causes a rectangular wave of current

to be passed through a parallel resonant tank circuit, the
voltage sustained by MOSFETs when they are off will be
half sinusoid. A component of the current carried by
MOSFETs will be a charging current for snubber capacitors
which will be sinusoidal so again symmetrical layout will be
important.

Fig.2. The waveforms of current through two parallelled

BUK453-50A MOSFETs with symmetrical layout.

Fig.3. The waveforms of current through two parallelled

BUK453-50A MOSFETS with 50 nH connected in the

source connection on one MOSFET.

Unsymmetrical layout of the gate drive circuitry causes
dynamic imbalance. Connections between the gate drive
circuitry and the MOSFETs need to be kept short and
twisted together to reduce their inductance. Further to this

-500

-300

-100

100

300

500

50 

40 

30 

20 

10 

-10 

time (ns)

Current (A)

-500

-300

-100

100

300

500

50 

40 

30 

20 

10 

-10 

time (ns)

Current (A)

50

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

the connections between the gate drive circuit and
parallelled MOSFETs need to be approximately the same
length.

Figures 2 and 3 illustrate the effect of unsymmetrical layout
on the current sharing of two parallelled MOSFETs. The
presence of 50 nH in the source connection of one of the
two parallelled BUK453-50A MOSFETs causes noticeable
imbalance. A square shaped loop of 1 mm diameter wire
and side dimension only 25 mm is sufficient to produce an
inductance of 50 nH.

Symmetrical layout becomes more important if more
MOSFETs are parallelled, e.g. if a MOSFET with an R

DS(ON)

of 0.7 Ohm was connected in parallel with a MOSFET with
an R

DS(ON)

of 1 Ohm then the MOSFET with the lower R

DS(ON)

would carry 18% more current that if both MOSFETs had
an R

DS(ON)

of 1 ohm. If the MOSFET with an R

DS(ON)

of 0.7

ohm was connected in parallel with a hundred MOSFETs
with R

DS(ON)

of 1 ohm it would carry 42% more current than

if all the MOSFETs had an R

DS(ON)

1 Ohm.

Good Thermal Coupling

There should be good thermal coupling between parallelled
MOSFETs. This is achieved by mounting parallelled
MOSFETs on the same heatsink or on separate heatsinks
which are in good thermal contact with each other.

If poor thermal coupling existed between parallelled
MOSFETs and the positive temperature coefficient of
resistance was relied on to promote static balance, then the
total current carried by the MOSFETs would be less than
with good thermal coupling. Some MOSFETs would also
have relatively high junction temperatures and so their
reliability would be reduced. The temperature coefficient of
MOSFETs is not large enough to make poor thermal
coupling tolerable.

The Suppression of Parasitic Oscillations

Parasitic oscillations can occur. MOSFETs have transition
frequencies typically in excess of 200 MHz and parasitic
reactances are present both in the MOSFET package and
circuit connections, so the necessary feedback conditions
for parasitic oscillations exist. These oscillations typically
occur at frequencies above 100 MHz so a high bandwidth
oscilloscope is necessary to investigate them. The
likelihood of these parasitic oscillations occurring is very
much reduced if small differential resistors are connected
in the leads to each parallelled MOSFET. A common gate
drive resistor of between 10 and 100 Ohms with differential
resistors of about 10 Ohm are recommended as shown in
Fig.4.

Fig.4. Differential gate drive resistors

The

suppression

of

parasitic

oscillations

between

parallelled MOSFETs can also be aided by passing the
connections from the gate drive circuit through ferrite
beads. The effect of these beads below 1 MHz is negligible.
The ferrite beads however damp the parasitic oscillations
which occur at frequencies typically above 100 MHz. An
example of parasitic oscillations is shown in Fig.5.

Fig.5. Parasitic oscillations on the voltage waveforms of

a MOSFET

If separate drive circuits with closely decoupled power
supplies are used for each parallelled device then parasitic
oscillations will be prevented. This condition could be
satisfied by driving each parallelled MOSFET from 3 buffers
in a CMOS Hex buffer ic.

To take this one stage further, separate push pull transistor
drivers could be used for each MOSFET. (A separate base
resistor is needed for each push-pull driver to avoid a
MOSFET with a low threshold voltage clamping the drive
voltage to all the push pull drivers). This arrangement also
has the advantage that the drive circuits can be positioned
very close to the terminals of each MOSFET. The
impedance of connections from the drive circuits to the
MOSFETs will be minimised and so there will be a reduced

10 Ohm

10 Ohm

50 Ohm

0

5

10

15

0

10

20

30

40

Vds (V)

Vgs (V)

0

400

800

1200

1600

2000

time (ns)

51

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

likelihood of spurious turn on. Spurious turn on can occur
when there is a fast change in the drain to source voltage.
The charging current for the gate drain capacitance inherent
in the MOSFET structure can cause a voltage drop across
the gate drive impedance large enough to turn the MOSFET
on. The gate drive impedance needs to be kept as low as
possible to reduce the likelihood of spurious turn on.

Resonant power supplies

If a resonant circuit is used then there will be reduced
interference

and

switching

losses.

The

reduced

interference is achieved because sinusoidal waveforms are
present in resonant circuits rather than rectangular
waveforms. Rectangular waveforms have large high
frequency harmonic components.

MOSFETs are able to switch at a zero crossing of either
the voltage or the current waveform and so switching losses
are ideally zero. For example, in the case of a current fed
inverter feeding a parallel resonant load switching can take
place at a zero crossing of voltage so switching losses are
negligible. In this case the sinusoidal drain source voltage
sustained by MOSFETs reduces the likelihood of spurious
dv/dt turn on. This is because the peak charging current for
the internal gate to drain capacitance of the MOSFET is
reduced.

The current fed approach

Switch mode power supplies using the current fed topology
have a d.c. link which contains a choke to smooth the
current in the link. Thus a high impedance supply is
presented to the inversion stage. Switching in the inversion
stage causes a rectangular wave of current to be passed
through the load. The current fed approach has many
advantages for switch mode power supplies. It causes
reduced stress on devices caused by the slow reverse
recovery time of the parasitic diode inherent in the structure
of MOSFETs.

The current fed approach can also reduce problems caused
by dynamic imbalance. If more than three MOSFETs are
parallelled then it is advantageous to use more than one
choke in the d.c. link rather than wind a single choke out of
thicker gauge wire. One of the connections to each choke

is connected to the output of the rectification stage. The
other connection of each choke is connected to a group of
three MOSFETs. This means that if one MOSFET switches
on before the others it will carry a current less than its peak
pulse value even when many MOSFETs are parallelled.

The parallel operation of MOSFETs in the
linear mode

The problems of parallelling MOSFETs which are being
used in the linear mode are listed below.

(a)

The parallelled devices have different threshold

voltages and transconductances. This leads to poor
sharing.

(b) MOSFETs have a positive temperature coefficient of
gain at low values of gate to source voltage. This can lead
to thermal runaway.

The imbalance caused by differences in threshold voltage
and transconductance can be reduced by connecting
resistors (R

S

) in the source connections. These resistors

are in the gate drive circuit and so provide negative
feedback. The negative feedback reduces the effect of
different

values

of

VT

and

g

m

.

The

effective

transconductance gm of the MOSFET is given in
Equation 1.

R

S

must be large compared to 1/g

m

to reduce the effects of

differences in g

m

. Values of 1/g

m

typically vary between 0.1

and 1.0 Ohm. Therefore values of R

S

between 1 ohm and

10 ohm are recommended.

Differential heating usually has a detrimental effect on
sharing and so good thermal coupling is advisable.

Conclusions

Power MOSFETs can successfully be parallelled to realise
higher power handling capability if a few guidelines are
followed.

g

m

=

1

R

s

+

1

g

m

1

52

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

1.2.5  Series Operation of Power MOSFETs

The need for high voltage switches can be well illustrated
by considering the following

examples. In

flyback

converters the leakage inductance of an isolating
transformer can cause a large voltage spike across the
switch when it switches off. If high voltage MOSFETs are
used the snubber components can be reduced in size and
in some cases dispensed with altogether.

For industrial equipment operation from a supply of 415 V,
550 V or 660 V is required. Rectification of these supply
voltages produces d.c. rails of approximately 550 V, 700 V
and 800 V. The need for high voltage switches in these
cases is clear.

Resonant topologies are being increasingly used in
switching circuits. These circuits have advantages of
reduced RFI and reduced switching losses. To reduce the
size of magnetic components and capacitors the switching
frequency of power supplies is increased. RFI and switching
losses become more important at high frequencies so
resonant topologies are more attractive. Resonant circuits
have the disadvantage that the ratio of peak to average
voltage can be large. For example a Parallel Resonant
Power Supply for a microwave oven operating off a 240 V
supply can be designed most easily using a switch with a
voltage rating of over 1000 V.

In high frequency induction heating power supplies
capacitors are used to resonate the heating coil. The use
of high voltage switches in the inversion bridge can result
in better utilisation of the kVAr capability of these capacitors.
This is advantageous since capacitors rated at tens of kVAr
above 100 kHz are very expensive.

In most TV deflection and monitor circuits peak voltages of
up to 1300 V have to be sustained by the switch during the
flyback period. This high voltage is necessary to reset the
current in the horizontal deflection coil. If the EHT flashes
over, the switch will have to sustain a higher voltage so
1500 V devices are typically required.

The Philips range of PowerMOS includes devices rated at
voltages up to 1000 V to cater for these requirements.
However in circuits, particularly in resonant applications
where voltages higher than this are required, it may be
necessary to operate devices in series.

Series operation can be attractive for the following reasons:

Firstly, the voltage rating of a PowerMOS transistor
cannot be exceeded. A limited amount of energy can be
absorbed by a device specified with a ruggedness rating

(eg device can survive some overvoltage transients), but
a 1000 V device cannot block voltages in excess of
1000 V.

Secondly, series operation allows flexibility as regards
on-resistance and so conduction losses.

The following are problems that have to be overcome for
successful operation of MOSFETs in series. If one device
turns off before another it may be asked to block a voltage
greater than its breakdown voltage. This will cause a
reduction in the lifetime of the MOSFET. Also there is a
requirement for twice as many isolated gate drive circuits
in many circuits.

The low drive power requirements of Philips PowerMOS
mean that the provision of more isolated gate drive circuits
is made easier. Resonant circuits can have advantages in
reducing the problems encountered if one MOSFET turns
off before another. The current fed full bridge inverter is one
such circuit.

To illustrate how devices can be operated in series, a
current fed full bridge inverter is described where the peak
voltage requirement is greater than 1200 V.

The current fed inverter

A circuit diagram of the full bridge current fed inverter is
shown in Fig.1. A choke in the d.c. link smooths the link
current. Switching in the inversion bridge causes a
rectangular wave of current to be passed through the load.
The load is a parallel resonant tank circuit. Since the Q of
the tank circuit is relatively high the voltage across the load
is a sinewave. MOSFETs sustain a half sinusoid of voltage
when they are off. Thus series operation of MOSFETs is
made easier because if one MOSFET turns off before
another it only has to sustain a small voltage. To achieve
the best sharing, the gate drive to MOSFETs connected in
series should be as similar as possible. In particular the
zero crossings should be synchronised. The MOSFET drive
circuit shown in Fig.2 has been found to be excellent in this
respect. For current fed resonant circuits in which the duty
cycle varies over large ranges the circuit in Fig.3 will perform
well. A short pulse applied to the primary of the pulse
transformer is sufficient to turn MOSFET M4 on. This short
pulse can be achieved by designing the pulse transformer
so that it saturates during the time that M1 is on. The gate
source capacitance of M4 will remain charged until M2 is
turned on. M3 will then be turned on and the gate source
capacitance of M4 will be discharged and so

53

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.1.  Circuit diagram of the full bridge current-fed inverter feeding a parallel resonant load.

LEG 1

LEG 2

LEG 3

LEG 4

Drive

Circuit

Crowbar

Circuit

Hall Effect

Current Sense

Semiconductor

Fuse

120 uH

2.2 nF

M4 is turned off. Thus this circuit overcomes problems of
resetting the flux in the core of the pulse transformer for
large duty cycles.

Each leg of the inverter consists of two MOSFETs, type
BUK456-800B, connected in series. The ideal rating of the
two switches in each leg is therefore 1600 V and 3.5 A. The
inverter is fed into a parallel resonant circuit with values of
L = 120 

µ

H (Q = 24 at 150 kHz) and C = 2.2 nF.

Fig.2.  The MOSFET drive circuit.

Capacitors are shown connected across the drain source
terminals of MOSFETs. The value of the capacitor across
the drain to source of each MOSFET is 6.6 nF. (Six 10 nF
polypropylene capacitors, type 2222 376 92103.)

This

gives a peak voltage rating of about 850 V at 150 kHz for
the capacitor combination across each MOSFET. (This
voltage rating takes into account that the capacitors will only
have to sustain voltage when the MOSFET is off). The
function of these capacitors is twofold. Firstly they suppress
spikes caused by switching off current in parasitic lead
inductance. Secondly they improve the sharing of voltage
between the MOSFETs connected in series. These
capacitors are effectively in parallel with the tank circuit
capacitor. However only half of the capacitors across
MOSFETs are in circuit at any one time. This is because
half of the capacitors are shorted out by MOSFETs which
have been turned on. The resonant frequency of the tank
circuit and drain source capacitors is given by Equation 1.

Where C

tot

is the equivalent capacitance of the tank circuit

capacitor and the drain source capacitors and is given by
Equation 2.

T1

T2

15 V

0 V

0.68 uF

FX3434

30 turns secondary

15 turns primary

33 Ohm

33 Ohm

33 Ohm

f

=

1

2

π

√

L

.

C

tot

1

54

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Therefore the resonant frequency of the tank circuit is
155 kHz.

An expression for the impedance at resonance of the
parallel resonant circuit (Z

D

) is given in Equation 3.

The Q of the circuit is given by Equation 4.

Substituting Equation 3.

Thus Z

D

for the parallel resonant load was 2.7 kOhms.

In a conventional rectangular switching circuit the
connection of capacitors across MOSFETs will cause
additional losses. These losses are caused because when
a MOSFET turns on, the energy stored in the drain source
capacitance is dissipated in the MOSFET and in a series
resistor. This series resistor is necessary to limit the current

spike in the MOSFET at turn on. These losses are
appreciable at 150 kHz, e.g. the connection of 1 nF across
a MOSFET switching 600 V would cause losses of more
than 25 W at 150 kHz. In the current fed inverter described
in this article the MOSFETs turn on when the voltage across
the capacitor is ideally zero. Thus there is no need for a
series resistor and the turn on losses are ideally zero.

In this case the supply to the inverter was 470 V rms. This
means that the peak voltage in the d.c. link was 650 V.

Equating the power flowing in the d.c. link to the power
dissipated in the tank circuit produces an expression for the
peak voltage across the tank circuit (V

T

) as given in

Equation 6.

Therefore the peak to peak voltage across the tank circuit
was ideally 2050 V

The voltage across each MOSFET should be 512 V.

Circuit performance

The switching frequency of this circuit is 120 kHz. Thus the
load is fed slightly below its resonant frequency. This means
that the load looks inductive and ensures that the MOSFETs
do not switch on when the capacitors connected across
their drain source terminals are charged.

C

tot

=

C

t

+

C

DS

2

Z

D

=

L

C

tot

.

R

3

Q

=

1

R

.

√

L

C

tot

4

V

T

=

2

×

√

2

×

1.11

×

V

dclink

6

Z

D

=

Q

.

√

L

C

tot

5

Fig.3.  Drive circuit with good performance over widely varying duty cycles.

15 V

0 V

0.68 uF

33 Ohm

33 Ohm

33 Ohm

M1

M2

M3

M4

55

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The waveforms of the voltage across two MOSFETs in
series in a leg of the inversion bridge are shown in Fig.4. It
can be seen that the sharing is excellent. The peak voltage
across each MOSFET is 600 V. This is higher than 512 V
because of ringing between parasitic lead inductance and
the drain source capacitance of MOSFETs when they
switch off.

The MOSFETs carry two components of current. The first
component is the d.c. link current. The second component
is a fraction of the circulating current of the tank circuit. The
size of the second component is dependent on the relative
sizes of the drain source capacitance connected across
MOSFETs and the tank circuit capacitor.

In this circuit the peak value of charging current for drain
source capacitors, which is carried by the MOSFET, is 4 A.
The on-resistance of the BUK456-800B is about 5 Ohms
at 80 ˚C. This explains the rise in V

DS(ON)

of about 20 V seen

in Fig.4 just above the turn off of the MOSFETs.

The sharing of Philips PowerMOS in this configuration is
so good that the value of drain source capacitance is not
determined by its beneficial effect on sharing. Therefore,
the value can be selected solely on the need to control
ringing which in turn is dependent on power output and
layout. (The increased current level associated with
increased power output makes the ringing worse).

In any given configuration there is a maximum output power
that single MOSFETs can handle and there will be a value
of drain source capacitance associated with it. This value

Fig.4.  The drain-source voltage waveforms for two

MOSFETs connected in series in a leg of the inversion

bridge.

can be used as the ’capacitance per MOSFET’ in higher
power circuits where it becomes necessary to use
MOSFETs connected in parallel. A value of between 5 and
10 nF is probably sufficient given a sensible layout.

Conclusions

It has been shown that MOSFETs can be connected in
series to realise a switch that is as high as 90% of the sum
of the voltage sustaining capabilities of the individual
transistors.

0

13

26

39

52

65

78

91 104 117 130

0

80

160

240

320

400

480

560

640

Drain-Source Voltage (V)

time (us)

56

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

1.2.6  Logic Level FETS

Standard Power MOSFETs require a gate-source voltage
of 10 V to be fully ON. With Logic Level FETs (L

2

FETs)

however, the same level of conduction is possible with a
gate-source voltage of only 5 V. They can, therefore, be
driven directly from 5 V TTL/CMOS ICs without the need
for the level shifting stages required for standard
MOSFETs, see Fig.1. This makes them ideal for today’s
sophisticated electrical systems, where microprocessors
are used to drive switching circuits.

Fig.1  Drive circuit for a standard MOSFET and an

L

2

FET

This characteristic of L

2

FETs is achieved by reducing the

gate oxide thickness from - 800 Angstroms to - 500
Angstroms, which reduces the threshold voltage of the
device from the standard 2.1-4.0 V to 1.0-2.0 V. However
the result is a reduction in gate-source voltage ratings,
from

±

30 V for a standard MOSFET to

±

15 V for the L

2

FET.

The

±

15 V rating is an improvement over the ’industry

standard’ of

±

10 V, and permits Philips L

2

FETs to be used

in demanding applications such as automotive.

Although a 5 V gate-drive is ideal for L

2

FETs, they can be

used in circuits with gate-drive voltages of up to 10 V. Using

a 10 V gate-drive results in a reduced R

DS(ON)

(see Fig.2)

but the turn-off delay time is increased. This is due to
excessive charging of the L

2

FET’s input capacitance.

Fig.2  R

DS(ON)

 as a function of V

GS

 for a standard

BUK453-100B MOSFET and a BUK553-100B L

2

FET. T

j

= 25 ˚C; V

GS

 = 10 V

Capacitances, Transconductance and
Gate Charge

Figure 3 shows the parasitic capacitances areas of a typical
Power MOSFET cell. Both the gate-source capacitance
C

gs

and the gate-drain capacitance C

gd

increase due to the

reduction in gate oxide thickness, although the increase
in C

gd

is only significant at low values of V

DS

, when the

depletion layer is narrow. Increases of the order of 25% in
input capacitance C

iss

, output capacitance C

oss

and reverse

transfer capacitance C

rss

result for the L

2

FET, compared

with a similar standard type, at V

DS

 = 0 V. However at the

standard measurement

condition of V

DS

 = 25 V the

differences are virtually negligible.

Forward transconductance g

fs

is a function of the oxide

thickness so the g

fs

of an L

2

FET is typically 40% - 50%

higher than a standard MOSFET. This increase in g

fs

more

than offsets the increase in capacitance of an L

2

FET, so

the turn on charge requirement of the L

2

FET is lower than

the standard type see Fig.4. For example, the standard
BUK453-100B MOSFET requires about 17 nC to be fully
switched on (at a gate voltage of 10 V) while the
BUK553-100B L

2

FET only needs about 12 nC (at a gate

source voltage of 5 V).

input

TTL / CMOS

+10 V

V

DD

Standard

MOSFET

Standard MOSFET drive

input

TTL / CMOS

V

DD

L  FET drive

2

L  FET

2

+5 V

57

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.3  Parasitic capacitances of a typical Power

MOSFET cell

Fig.4  Turn-on gate charge curves of a standard

BUK453-100B and a BUK553-100B L

2

FET. V

DD 

= 20 V;

I

D

 = 12 A

Switching speed.

Figure 5 compares the turn-on performance of the standard
BUK453-100B MOSFET and the BUK553-100B L

2

FET,

under identical drive

conditions of

5 V from a

50 

generator using identical loads. Thanks to its lower gate
threshold voltage V

GST

, the L

2

FET can be seen to turn on

in a much shorter time from the low level drive.

Figure 6 shows the turn-off performance of the standard
BUK453-100B MOSFET and the BUK553-100B L

2

FET,

again with the same drive. This time the L

2

FET is slower

to switch. The turn-off times are determined mainly by the
time required for C

gd

to discharge. The C

gd

is higher for the

L

2

FET at low V

DS

, and the lower value of V

GST

leads to a

lower discharging current. The net result is an increase
in turn off time.

Fig.5  Comparison of (a) gate-source voltage and (b)

drain-source voltage waveforms during turn-on of a

standard BUK453-100B MOSFET and a BUK553-100B

L

2

FET. V

GS

 is 5 V, I

D

 is 3 A and V

DD

 is 30 V.

Fast switching in many applications, for

example

automotive circuits, is not important. In areas where it is
important however

the drive conditions should

be

examined. For example, for a given drive power, a 10 V
drive with a 50 

source impedance is equivalent to a 5 V

drive with a source impedance of only 12 

. This results in

faster switching for the L

2

FET compared with standard

MOSFETs.

Ruggedness and reliability

MOSFETs are frequently required to be able to withstand
the energy of an unclamped inductive load turn-off. Since
this energy is dissipated in the bulk of the silicon, stress
is avoided in the gate oxide.

This means that the

ruggedness performance of L

2

FETs is comparable with

that of standard MOSFETs. The use of thinner gate oxide
in no way compromises reliability. Good control of key
process parameters such as pinhole density, mobile ion
content, interface state density ensures good oxide quality.
The projected MTBF is 2070 years at 90˚C, at a 60%
confidence level.

58

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.6  Comparison of (a) gate-source voltage and (b)

drain-source voltage waveforms during turn-off of a

standard BUK453-100B MOSFET and a BUK553-100B

L

2

FET. V

GS

 is 5 V, I

D

 is 3 A and V

DD

 is 30 V.

The V

GS

rating of an L

2

FET is about half that of a standard

MOSFET, but this does not affect the V

DS

rating. In principle,

an L

2

FET version of any standard MOSFET is feasible.

Temperature stability

In general threshold voltage decreases with increasing
temperature. Although the threshold voltage of L

2

FETs is

lower than that of standard MOSFETs, so is their
temperature coefficient of threshold voltage (about half in
fact), so their temperature stability compares favourably
with standard MOSFETs. Philips low voltage L

2

FETs

(

200v) in TO220 all feature T

jmax

of 175˚C, rather than

the industry standard of 150˚C.

Applications

The Philips Components range of rugged Logic Level
MOSFETs enable cost

effective drive

circuit design

without compromising ruggedness or reliability. Since they
enable power loads to be driven directly from ICs they may
be considered to be the first step towards intelligent power
switching. Thanks to their good reliability and 175˚C T

jmax

temperature rating, they are displacing mechanical relays
in automotive body electrical functions and are being
designed in to such safety critical areas as ABS.

59

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

1.2.7 Avalanche Ruggedness

Recent advances in power MOS processing technology
now enables power MOS transistors to dissipate energy
while operating in the avalanche mode. This feature results
in transistors able to survive in-circuit

momentary

overvoltage conditions, presenting circuit designers with
increased flexibility when choosing device voltage grade
against required safety margins.

This paper considers the avalanche characteristics of
’rugged’ power MOSFETs and presents results from
investigations into the physical constraints which ultimately
limit avalanche energy dissipation in the VDMOS structure.
Results suggest that the maximum sustainable energy is a
function

of

the

applied

power

density

waveform,

independent of device voltage grade and chip size.

The ability of a rugged device to operate reliably in a circuit
subject to extreme interference is also demonstrated.

Introduction.

Susceptibility to secondary breakdown is a phenomenon
which limits the power handling capability of a bipolar
transistor to below its full potential. For a power MOSFET,
power handling capability is a simple function of thermal
resistance and operating temperature since the device is
not vulnerable to a second breakdown mechanism. The
previous statement holds true provided the device is
operated at or below its breakdown voltage rating (B

VDSS

)

and not subject to overvoltage. Should the transistor be
forced into avalanche by a voltage surge the structure of
the device permits possible activation of a parasitic bipolar
transistor which may then suffer the consequences of
second breakdown. In the past this mechanism was typical
of failure in circuits where the device became exposed to
overvoltage. To reduce the risk of device failure during
momentary overloads improvements have been introduced
to the Power MOS design which enable it to dissipate
energy while operating in the avalanche condition. The term
commonly used to describe this ability is ’Ruggedness’,
however before discussing in further detail the merits of a
rugged Power MOSFET it is worth considering the failure
mechanism of non-rugged devices.

Failure mechanism of a non-rugged Power
MOS.

A power MOS transistor is made up of many thousands of
cells, identical in structure. The cross section of a typical
cell is shown in Fig. 1. When in the off-state or operating in
saturation, voltage is supported across the p-n junction as
shown by the shaded region. If the device is subjected to
over-voltage (greater than the avalanche value of the

device), the peak electric field, located at the p-n junction,
rises to the critical value (approx. 200 kV / cm ) at which
avalanche multiplication commences.

Computer modelling has shown that the maximum electric
field occurs at the corners of the P diffusions. The
electron-hole plasma generated by the avalanche process
in these regions gives rise to a source of electrons, which
are swept across the drain, and a source of holes, which
flow through the P- and P regions towards the source metal
contact.

Fig. 1 Cross section of a typical Power MOS cell.

Clearly the P- region constitutes a resistance which will give
rise to a potential drop beneath the n+. If this resistance is
too large the p-n junction may become forward biased for
relatively low avalanche currents.

Also if the manufacturing process does not yield a uniform
cell structure across the device or if defects are present in
the silicon then multiplication may be a local event within
the crystal. This would give rise to a high avalanche current
density flowing beneath the source n+ and cause a
relatively large potential drop sufficient to forward bias the
p-n junction and hence activate the parasitic npn bipolar
transistor inherent in the MOSFET structure. Due to the
positive temperature coefficient associated with a forward
biased p-n junction, current crowding will rapidly ensue with
the likely result of second breakdown and eventual device
destruction.

N+

Substrate

N- Layer

P

P-

P-

N+

N+

Source Contact Metal

Polysilicon Gate

Drain

Source

Parasitic

Bipolar

Transistor

61

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

In order that a power MOS transistor may survive transitory
excursions into avalanche it is necessary to manufacture a
device with uniform cell structure, free from defects
throughout the crystal and that within the cell the resistance
beneath the n+ should be kept to a minimum. In this way a
forward biasing potential across the p-n junction is avoided.

Definition of ruggedness.

The term ’Ruggedness’ when applied to a power MOS
transistor, describes the ability of that device to dissipate
energy while operating in the avalanche condition. To test
ruggedness of a device it is usual to use the method of
unclamped inductive load turn-off using the circuit drawn in
Fig. 2.

Fig. 2 Unclamped inductive load test circuit for

ruggedness evaluation.

Fig. 3 Typical waveforms taken from the unclamped

inductive load test circuit.

Circuit operation:-

A pulse is applied to the gate such that the transistor turns
on and load current ramps up according to the inductor
value, L and drain supply voltage, V

DD

. At the end of the

gate pulse, channel current in the power MOS begins to fall
while voltage on the drain terminal rises rapidly in
accordance with equation 1.

The voltage on the drain terminal is clamped by the
avalanche voltage of the Power MOS for a duration equal
to that necessary for dissipation of all energy stored in the
inductor. Typical waveforms showing drain voltage and
source current for a device undergoing successful test are
shown in Fig. 3.

The energy stored in the inductor is given by equation 2
where I

D

is the peak load current at the point of turn-off of

the transistor.

All this energy is dissipated by the Power MOS while the
device is in avalanche.

Provided the supply rail is kept below 50 % of the avalanche
voltage, equation 2 approximates closely to the total energy
dissipation by the device during turn-off. However a more
exact expression which takes account of additional energy
delivered from the power supply is given by equation 3.

Clearly the energy dissipated is a function of both the
inductor value and the load current I

D

, the latter being set

by the duration of the gate pulse. The 50 Ohm resistor
between gate and source is necessary to ensure a fast
turn-off such that the device is forced into avalanche.

The performance of a non-rugged device in response to the
avalanche test is shown in Fig. 4. The drain voltage rises
to the avalanche value followed by an immediate collapse
to approximately 30 V. This voltage is typical of the
sustaining voltage during Second Breakdown of a bipolar
transistor, [1]. The subsequent collapse to zero volts after
12

µ

S signifies failure of the device. The transistor shown

here was only able to dissipate a few micro joules at a very
low current if a failure of this type was to be avoided.

dv

dt

=

L

d

2

I

dt

2

(

1

)

L

T.U.T.

VDD

RGS

R 01

VDS

-ID/100

+

-

shunt

VGS

0

W

DSS

=

0.5LI

D

2

(

2

)

W

DSS

=

BV

DSS

BV

DSS

V

DD

0.5LI

D

2

(

3

)

62

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 4 Failure waveforms of a non rugged Power MOS

transistor.

Fig. 5 Power and energy waveforms prior to failure for a

typical BUK627-500B

Characteristics of a rugged Power MOS.

i) The energy limitation of a rugged device

The power waveform for a BUK627-500B (500 V, 0.8 Ohm)
tested at a peak current of 15 A is presented in Fig. 5.

The area within the triangle represents the maximum
energy that this particular device type may sustain without
failure at the above current. Figure 6 shows the junction
temperature variation in response to the power pulse,
calculated from the convolution integral as shown in
equation 4.

where

transient thermal impedance.

Fig. 6 Junction temperature during the power pulse for

the avalanche ruggedness test on a Philips

BUK627-500B.

Equation 4 predicts that the junction temperature will pass
through a maximum of 325 ˚C during the test. The
calculation of Z

th

(t) assumes that the power dissipation is

uniform across the active area of the device. When the
device operates in the avalanche mode the power will be
dissipated more locally in the region of the p-n junction
where the multiplication takes place. Consequently a local
temperature above that predicted by equation 4 is likely to
be present within the device.

Work on bipolar transistors [2] has shown that at a
temperature of the order of 400 ˚C, the voltage supporting
p-n region becomes effectively intrinsic as a result of
thermal multiplication, resulting in a rapid collapse in the
terminal voltage. It is probable that a similar mechanism is
responsible for failure of the Power MOS with a local
temperature approaching 400 ˚C resulting in a device short
circuit. A subsequent rapid rise in internal temperature will
result in eventual device destruction.

Clearly the rise in T

j

is a function of the applied power

waveform which is in turn related to circuit current,
avalanche voltage of the device and duration of the energy
pulse. Thus the energy required to bring about device failure
will vary as a function of each of these parameters. The
ruggedness of Power MOSFETS of varying crystal size and
voltage specification together with dependence on circuit
current is considered below.

ii) Sustainable avalanche energy as a
function of current.

The typical avalanche energy required to cause device
failure is plotted as a function of peak current in Fig. 7 for
a BUK553-60A (60 V, 0.085 Ohm Logic Level device). This
result was obtained through destructive device testing
using the circuit of Fig. 2 and a variety of inductor values.

T

j

(

t

) = ⌠

τ =

0

τ =

t

P

(

t

− τ)

Z

th

(τ)

d

τ

(

4

)

Z

th

(τ) =

63

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 7 Avalanche energy against current for a typical

Philips BUK553-60A

Fig. 8(a) Temperature during avalanche test for a

BUK553-60A; ID = 10 A

Fig. 8(b) Temperature during avalanche test for a

BUK553-60A; ID = 22 A

The plot shows that the effect of reducing current is to permit
greater energy dissipation during avalanche prior to failure.
This is an expected result since lower currents result in
reduced power dissipation enabling avalanche to be
sustained over a longer period. Temperature plots (Fig. 8)
calculated for the 10 A and 22 A failure points confirm that
the maximum junction temperature reached in each case
is the same despite the different energy values. (N.B. The
critical temperature is again underestimated as previously
stated.)

iii) Effect of crystal size.

To enable a fair comparison of ruggedness between
devices of various chip size it is necessary to normalise the
results. Therefore instead of plotting avalanche energy
against current, avalanche energy density and current
density become more appropriate axes. Figure 9 shows the
avalanche energy density against current density failure
locus for two 100 V Philips Power MOS types which are
different only in silicon area. Also shown on this plot are
two competitor devices of different chip areas (B

VDSS

= 100

V). This result demonstrates two points:
a) the rise in T

j

to the critical value for failure is dependent

on the power density dissipated within the device as a
function of time,
b) the sustainable avalanche energy scales proportional to
chip size.

KEY:  x

Philips BUK553-100A (6.25 mm

2

 chip)

+

Philips BUK555-100A (13 mm

2

 chip)

Competitor Devices

(100 V)

Fig. 9 Avalanche energy density against current density

iv) Dependence on the drain source
breakdown voltage rating.

Energy density against current density failure loci are
shown for devices of several different breakdown voltages
in Fig. 10.

64

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

KEY:  x

Philips BUK553-60A

+

Philips BUK555-100A
Philips BUK627-500B

Fig. 10 Avalanche energy density against current

density

Presented in this form it is difficult to assess the relative
ruggedness of each device since the current density is
reduced for increasing voltage. If instead of peak current
density, peak power density is used for the x-axis then
comparison is made very simple. The data of Fig. 10 has
been replotted in Fig. 11 in the above manner. Represented
in this fashion the ruggedness of each chip appears very
similar highlighting that the maximum energy dissipation of
a device while in avalanche is dependent only on the power
density function.

KEY:  x

Philips BUK553-60A

+

Philips BUK555-100A
Philips BUK627-500B

Fig. 11 Avalanche energy density against peak power

density

Ruggedness ratings.

It should be stressed that the avalanche energies presented
in the previous section result in a rise of the junction
temperature far in excess of the device rating and in practice
energies

should

be

kept

within

the

specification.

Ruggedness is specified in data for each device in terms
of an unclamped inductive load test maximum condition;
recommended energy dissipation at a particular current
(usually the rated current of the device).

DEVICE

R

DSON

V

DS

I

D

W

DSS

TYPE

(

)

(V)

(A)

(mJ)

BUK552-60A

0.15

60

14

30

BUK552-100A

0.28

100

10

30

BUK553-60A

0.085

60

20

45

BUK553-100A

0.18

100

13

70

Table 1 Ruggedness Ratings

The ruggedness rating is chosen to protect against a rise
in T

j

above the maximum rating. Examples of ruggedness

ratings for a small selection of devices are shown in Table 1.

Fig. 12 Normalised temperature derating curve

This data is applicable for T

j

= 25 C. For higher operating

temperatures the permissible rise in junction temperature
during

the

energy

test

is

reduced.

Consequently

ruggedness needs to be derated with increasing operating
temperature. A normalised derating curve for devices with
Tj max 175 ˚C is presented in Fig. 12.

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Tmb /   C

120 

110 

100 

90 

80 

70 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

WDSS%

65

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 13(a) Test circuit

Fig. 13(b) Output from transient generator.

Performance of a rugged Power MOS
device.

The ability of a rugged Power MOS transistor to survive
momentary power surges results in excellent device
reliability. The response of a BUK553-60A to interference
spikes while switching a load is presented below. The test

circuit is shown in Fig. 13(a) together with the profile of the
interference spike in Fig. 13(b).

The interference generator produces pulses asynchronous
to the switching frequency of the Power MOS. Figure 14
shows the drain voltage and load current response at four
instances in the switching cycle. Devices were subjected
to 5000 interference spikes at a frequency of 5 Hz. No
degradation in device performance was recorded.

Conclusions.

The ability of power MOS devices to dissipate energy in the
avalanche mode has been made possible by process
optimisation to remove the possibility of turn-on of the
parasitic bipolar structure. The failure mechanism of a
rugged device is one of excessive junction temperature
initiating a collapse in the terminal voltage as the junction
area becomes intrinsic. The rise in junction temperature is
dictated by the power density dissipation which is a function
of crystal size, breakdown voltage and circuit current.

Ruggedness ratings for Philips PowerMOS are chosen to
ensure that the specified maximum junction temperature of
the device is not exceeded.

References.

1. DUNN and NUTTALL, An investigation of the voltage

sustained by epitaxial bipolar transistors in current
mode second breakdown. Int.J.Electronics, 1978,
vol.45, no.4, 353-372

2. DOW and NUTTALL, A study of the current distribution

established in npn epitaxial transistors during current
mode second breakdown. Int.J.Electronics, 1981,
vol.50, no.2, 93-108

T.U.T.

50 R

VDS

7.5 V

0

14 V DC

SOURCE

TRANSIENT

GENERATOR

14 V
38 W
LAMP

20 R

100 Hz - 1 kHz

50 % DUTY CYCLE

SQUARE WAVE

t1 = point of turn-on of PowerMOS
t2 = point of turn-off of PowerMOS

Fig. 14 VDS and ID waveforms for the circuit in Fig. 13(a)

66

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

1.2.8  Electrostatic Discharge (ESD) Considerations

Charge accumulates on insulating bodies and voltages as
high as 20,000 V can be developed by, for example, walking
across a nylon carpet.

Electrically the insulator can be

represented by many capacitors and resistors connected
as shown in Fig. 1. The value of the resistors is large and
as a consequence it is not possible to discharge an insulator
by connecting it straight to ground.

An ion source is

necessary to discharge an insulator.

Fig. 1.   An electrical representation of a charged

insulator.

Since MOSFETs have a very high input impedance,
typically > 10

9

Ohms at dc, there is a danger of static

electricity building up on the gate source capacitance of the
MOSFET. This can lead to damage of the thin gate oxide.
There are two ways in which the voltage across the gate
source terminals of a MOSFET can be increased to its
breakdown voltage by static electricity.

Firstly a charged object can be brought into contact with
the MOSFET terminals or with tracks electrically connected
to the terminals. This is represented electrically by Fig. 2.
Secondly charge can be induced onto the terminals of the
MOSFET. Electrically this can be represented by the circuit
in Fig. 3.

Fig. 2.   The gate source terminals of a MOSFET

connected to a charged insulator.

From Figs. 2 and 3, it can be seen that, as the total area of
the gate source region increases then the sensitivity of the
devices to ESD will decrease.

Hence power MOSFETs

are less prone to ESD than CMOS ICs. Also, for a given

voltage rating, MOSFETs with a larger die area (i.e. the
devices with lower on-resistance) are less probe to ESD
than smaller dice.

To prevent the destruction of MOSFETs through ESD a two
pronged approach is necessary.

Firstly it is important to

minimise the build up of static electricity.

Secondly

measures need to be taken to prevent the charging up of
the input capacitance of MOSFETs by static electric
charges.

Fig. 3.   A charged insulator inducing charge on the

terminals of a MOSFET.

In the Philips manufacturing facilities many precautions are
taken to prevent ESD damage and these are summarised
below.

Precautions taken to prevent the build up
of static electricity

1. It is important to ensure that personnel working with
MOSFETs are aware of the problems and procedures that
have to be followed.

This involves the training of staff.

Areas in which MOSFETs are handled are designated
Special Handling Areas (SHA) and are clearly marked as
such. Checks are made every month that anti-static rules
are being rigourously implemented.

2. Some materials are more prone to the build up of static
electricity than others (e.g. polyester is worse than cotton).
Therefore it is important to minimise the use of materials
that enhance the likelihood of build up of static electricity.
Materials best avoided are acetate, rayon and polyester.
The wearing of overclothing made from polycotton with 1%
stainless steel fibre is one solution. In clean rooms nylon
overalls which have been antistatically treated are worn.
The use of insulating materials is avoided.

3.

Work benches and floors are covered in a static

dissipative material and connected to a common earth. A
high conductive material is not used since it would create
an electric shock hazard and cause too rapid a discharge
of charged material.

From the point of view of ESD

materials can be classified according to their conductivity
as shown below.

Insulator

+

+

+

-

-

-

C11

C12

C13

C1n

R11

R12

R(1n-1)

C11

C12

R11

R12

C1n

Cgs

Vgs

Ct

C11

C12

R11

R12

C1n

Cgs

Vgs

67

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

insulator (>10

14

 ohm/square)

antistatic (10

9

 - 10

14

 Ohm/square)

static dissipative (10

5

 - 10

9

 Ohm/square)

conductor (<10

5

 Ohm/square).

4.

Conducting straps are used to electrically connect

personnel to the point of common earthing. This prevents
the build up of static charge on staff.

The connection is

static dissipative to prevent an electric shock hazard.

5. Air plays an important part in the build up of static
electricity.

This is particularly troublesome in a dry atmosphere.

Many of the techniques mentioned above are referred to in
BS5783.

Precautions taken to prevent damage to
MOSFETs by electrostatic build up of
charge

1. When MOSFETs are being transported or stored they

should be in antistatic containers. These containers should
be totally enclosed to prevent charges being induced onto
the terminals of devices.

2. If MOSFETs have to be left out on the bench, e.g. during
a test sequence, they should be in sockets which have the
gate and source pins electrically connected together.

The precautions that should be taken at the customers’
premises are the same as above. It should be remembered
that whenever a MOSFET is touched by someone there is
a danger of damage. The precautions should be taken in
every area in which MOSFETs are tested or handled. In
addition where devices are soldered into circuits with a
soldering iron an earthed bit should always be used.

The probability of device destruction caused by ESD is low
even if only the most rudimentary precautions are taken.
However without such precautions and with large numbers
of PowerMOS devices now being designed into equipment
a few failures would be inevitable.

The adoption of the

precautions outlined will mean that ESD will no longer be
a problem.

68

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

1.2.9  Understanding the Data Sheet: PowerMOS

All manufacturers of power MOSFETs provide a data sheet
for every type produced. The purpose of the data sheet is
primarily to give an indication as to the capabilities of a
particular product. It is also useful for the purpose of
selecting

device

equivalents

between

different

manufacturers. In some cases however data on a number
of parameters may be quoted under subtly different
conditions by different manufacturers, particularly on
second order parameters such as switching times. In
addition the information contained within the data sheet
does not always appear relevant for the application. Using
data sheets and selecting device equivalents therefore
requires caution and an understanding of exactly what the
data means and how it can be interpreted. Throughout this
chapter the BUK553-100A is used as an example, this
device is a 100 V logic level MOSFET.

Information contained in the Philips data
sheet

The data sheet is divided into 8 sections as follows:

* Quick reference data

* Limiting values

* Thermal resistances

* Static characteristics

* Dynamic characteristics

* Reverse diode limiting values and characteristics

* Avalanche limiting value

* Graphical data

The information contained within each of these sections is
now described.

Quick reference data

This data is presented for the purpose of quick selection. It
lists what is considered to be the key parameters of the
device such that a designer can decide at a glance whether
the device is likely to be the correct one for the application
or not. Five parameters are listed, the two most important
are the drain-source voltage V

DS

and drain-source on-state

resistance, R

DS(ON)

. V

DS

is the maximum voltage the device

will support between drain and source terminals in the
off-state. R

DS(ON)

is the maximum on-state resistance at the

quoted gate voltage, V

GS

, and a junction temperature of

25 ˚C. (NB R

DS(ON)

is temperature dependent, see static

characteristics). It is these two parameters which provide
a first order indication of the devices capability.

A drain current value (I

D

) and a figure for total power

dissipation are also given in this section. These figures
should be treated with caution since they are quoted for
conditions that are rarely attainable in real applications.
(See limiting values.) For most applications the usable dc
current will be less than the quoted figure in the quick
reference data. Typical power dissipations that can be
tolerated by the majority of designers are less than 20 W
(for discrete devices), depending on the heatsinking
arrangement used. The junction temperature (T

J

) is usually

given as either 150 ˚C or 175 ˚C. It is not recommended
that the internal device temperature be allowed to exceed
this figure.

Limiting values

This table lists the absolute maximum values of six
parameters. The device may be operated right up to these
maximum levels however they must not be exceeded, to
do so may incur damage to the device.

Drain-source voltage and drain-gate voltage have the same
value. The figure given is the maximum voltage that may
be applied between the respective terminals. Gate-source
voltage,

±

V

GS

, gives the maximum value that may be

allowed between the gate and source terminals. To exceed
this voltage, even for the shortest period can cause
permanent damage to the gate oxide. Two values for the
dc drain current, I

D

, are quoted, one at a mounting base

temperature of 25 ˚C and one at a mounting base
temperature of 100 ˚C. Again these currents do not
represent attainable operating levels. These currents are
the values that will cause the junction temperature to reach
its maximum value when the mounting base is held at the
quoted value. The maximum current rating is therefore a
function of the mounting base temperature and the quoted
figures are just two points on the derating curve ,see Fig.1.

The third current level quoted is the pulse peak value, I

DM

.

PowerMOS devices generally speaking have a very high
peak current handling capability. It is the internal bond wires
which connect to the chip that provide the final limitation.
The pulse width for which I

DM

can be applied depends upon

the thermal considerations (see section on calculating
currents.) The total power dissipation, P

tot

, and maximum

junction temperature are also stated as for the quick
reference data. The P

tot

figure is calculated from the simple

quotient given in equation 1 (see section on safe operating
area). It is quoted for the condition where the mounting base
temperature is maintained at 25 ˚C. As an example, for the
BUK553-100A the P

tot

figure is 75 W, dissipating this

amount of power while maintaining the mounting base at
25 ˚C would be a challenge! For higher mounting base
temperatures the total power that can be dissipated is less.

69

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.1 Normalised continuous drain current.

ID% = 100 . I

D

/I

D25 ˚C

 = f(T

mb

); conditions: V

GS

 

 5 V

Obviously if the mounting base temperature was made
equal to the max permitted junction temperature, then no
power could be dissipated internally. A derating curve is
given as part of the graphical data, an example is shown in
Fig.2 for a device with a limiting T

j

of 175 ˚C.

Fig.2 Normalised power dissipation.

PD% = 100 P

D

/P

D 25 ˚C

 = f(T

mb

)

Storage temperature limits are also quoted, usually
between -40 /-55 ˚C and +150 /+175 ˚C. Both the storage
temperature limits and the junction temperature limit are
figures at which extensive reliability work is performed by
our Quality department. To exceed these figures will cause
a reduction in long-term reliability.

Thermal resistance.

For non-isolated packages two thermal resistance values
are given. The value from junction to mounting base (R

thj-mb

)

indicates how much the junction temperature will be raised
above the temperature of the mounting base when
dissipating a given power. Eg a BUK553-100A has a R

thj-mb

of 2 K/W, dissipating 10 W, the junction temperature will be
20 ˚C above the temperature of its mounting base. The
other figure quoted is from junction to ambient. This is a
much larger figure and indicates how the junction
temperature will rise if the device is NOT mounted on a
heatsink but operated in free air. Eg for a BUK553-100A,
R

thj-a

= 60 K/W, dissipating 1 W while mounted in free air

will produce a junction temperature 60 ˚C above the
ambient air temperature.

For isolated packages, (F-packs) the mounting base (the
metal plate upon which the silicon chip is mounted) is fully
encapsulated in plastic. Therefore it is not possible to give
a thermal resistance figure junction to mounting base.
Instead a figure is quoted from junction to heatsink, R

thj-hs

,

which assumes the use of heatsink compound. Care should
be taken when comparing thermal resistances of isolated
and non-isolated types. Consider the following example:

The non-isolated BUK553-100A has a R

thj-mb

of 2 K/W. The

isolated BUK543-100A has a R

thj-hs

of 5 K/W. These devices

have identical crystals but mounted in different packages.
At first glance the non-isolated type might be expected to
offer much higher power (and hence current) handling
capability. However for the BUK553-100A the thermal
resistance junction to heatsink has to be calculated, this
involves adding the extra thermal resistance between
mounting base and heatsink. For most applications some
isolation is used, such as a mica washer. The thermal
resistance mounting base to heatsink is then of the order
2 K/W. The total thermal resistance junction to heatsink is
therefore

R

thj-hs

(non isolated type) = R

thj-mb

+ R

thmb-hs

= 4 K/W

It can be seen that the real performance difference between
the isolated and non isolated types will not be significant.

Static Characteristics

The parameters in this section characterise breakdown
voltage,

threshold

voltage,

leakage

currents

and

on-resistance.

A drain-source breakdown voltage is specified as greater
than the limiting value of drain-source voltage. It can be
measured on a curve tracer, with gate terminal shorted to
the source terminal, it is the voltage at which a drain current
of 250 

µ

A is observed. Gate threshold voltage, V

GS(TO)

,

indicates the voltage required on the gate (with respect to
the source) to bring the device into its conducting state. For
logic level devices this is usually between 1.0 and 2.0 V
and for standard devices between 2.1 and 4 V.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Tmb /   C

ID%

Normalised Current Derating

120 

110 

100 

90 

80 

70 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Tmb /   C

PD%

Normalised Power Derating

120 

110 

100 

90 

80 

70 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

70

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.3 Typical transfer characteristics.

I

D

 = f(V

GS

); conditions: V

DS

 = 25 V; parameter T

j

Useful plots in the graphical data are the typical transfer
characteristics (Fig.3) showing drain current as a function
of V

GS

and the gate threshold voltage variation with junction

temperature (Fig.4). An additional plot also provided is the
sub-threshold conduction, showing how the drain current
varies with gate-source voltage below the threshold level
(Fig.5).

Off-state leakage currents are specified for both the
drain-source and gate-source under their respective
maximum voltage conditions. Note, although gate-source
leakage current is specified in nano-amps, values are
typically of the order of a few pico-amps.

Fig.4 Gate threshold voltage.

V

GS(TO)

 = f(T

j

); conditions: I

D

 = 1 mA; V

DS

 = V

GS

Fig.5 Sub-threshold drain current.

I

D

 = f(V

GS

); conditions: T

j

 = 25 ˚C; V

DS

 = V

GS

Fig.6 Typical output characteristics, T

j

 = 25 ˚C.

I

D

 = f(V

DS

); parameter V

GS

The drain-source on-resistance is very important. It is
specified at a gate-source voltage of 5 V for logic level FETs
and 10 V for a standard device. The on-resistance for a
standard MOSFET cannot be reduced significantly by
increasing the gate source voltage above 10 V. Reducing
the gate voltage will however increase the on-resistance.
For the logic level FET, the on-resistance is given for a gate
voltage of 5 V, a further reduction is possible however at
gate voltages up to 10 V, this is demonstrated by the output
characteristics, Fig.6 and on-resistance characteristics,
Fig.7 for a BUK553-100A. .

0

2

4

6

8

BUK543-100A

VGS / V

15 

10 

ID / A

Tj / C = 

25

150

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2

2.4

VGS / V

ID / A

1E-01 

1E-02 

1E-03 

1E-04 

1E-05 

1E-06 

SUB-THRESHOLD CONDUCTION

2 %

typ

98 %

0

2

4

6

8

10

BUK553-100A

VDS / V

24 

20 

16 

12 

2

3

4

5

7

10

ID / A

VGS / V = 

-60

-20

20

60

100

140

180

Tj /   C

VGS(TO) / V

max.

typ.

min.

71

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The on-resistance is a temperature sensitive parameter,
between 25 ˚C and 150 ˚C it approximately doubles in
value. A plot of normalised R

DS(ON)

versus temperature

(Fig.8) is included in each data sheet. Since the MOSFET
will normally operate at a T

j

higher than 25 ˚C, when making

estimates of power dissipation in the MOSFET, it is
important to take into account the higher R

DS(ON)

.

Fig.7 Typical on-state resistance, T

j

 = 25 ˚C.

R

DS(ON)

 = f(I

D

); parameter V

GS

Fig.8 Normalised drain-source on-state resistance.

a = R

DS(ON)

/R

DS(ON)25 ˚C

 = f(T

j

); I

D

 = 6.5 A; V

GS

 = 5 V

Dynamic Characteristics

These

include

transconductance,

capacitance

and

switching

times.

Forward

transconductance,

g

fs

,

is

essentially the gain parameter which indicates the change
in drain current that will result from a fluctuation in gate
voltage when the device is saturated. (NB saturation of a

MOSFET refers to the flat portion of the output
characteristics.) Fig.9 shows how g

fs

varies as a function of

the drain current for a BUK553-100A.

Fig.9 Typical transconductance, T

j

 = 25 ˚C.

g

fs

 = f(I

D

); conditions: V

DS

 = 25 V

Fig.10 Typical capacitances, C

iss

, C

oss

, C

rss

.

C = f(V

DS

); conditions: V

GS

 = 0 V; f = 1 MHz

Capacitances are specified by most manufacturers, usually
in terms of input, output and feedback capacitance. The
values quoted are for a drain-source voltage of 25 V.
However this is only part of the story as the MOSFET
capacitances are strongly voltage dependent, increasing
as drain-source voltage is reduced. Fig.10 shows how these
capacitances vary with voltage. The usefulness of the
capacitance figures is limited. The input capacitance value
gives only a rough indication of the charging required by
the drive circuit. Perhaps more useful is the gate charge
information an example of which is shown in Fig.11. This
plot shows how much charge has to be input to the gate to

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

BUK543-100A

ID / A

gfs / S

10 

0

4

8

12

16

20

24

28

BUK553-100A

ID / A

0.5 

0.4 

0.3 

0.2 

0.1 

2.5

3

3.5

4

4.5

5

10

RDS(ON) / Ohm

VGS / V = 

0

20

40

VDS / V

C / pF

Ciss

Coss

Crss

10

100

1000

10000

BUK5y3-100

-60

-20

20

60

100

140

180

Tj /   C

Normalised RDS(ON) = f(Tj)

2.4 

2.2 

2.0 

1.8 

1.6 

1.4 

1.2 

1.0 

0.8 

0.6 

0.4 

0.2 

a

72

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

reach a particular gate-source voltage. Eg. to charge a
BUK553-100A to V

GS

 = 5 V, starting from a drain-source

voltage of 80 V, requires 12.4 nc. The speed at which this
charge is to be applied will give the gate circuit current
requirements. More information on MOSFET capacitance
is given in chapter  1.2.2.

Resistive load switching times are also quoted by most
manufacturers, however extreme care should be taken
when

making

comparisons

between

different

manufacturers data. The speed at which a power MOSFET
can be switched is essentially limited only by circuit and
package inductances. The actual speed in a circuit is
determined by how fast the internal capacitances of the
MOSFET are charged and discharged by the drive circuit.
The switching times are therefore extremely dependent on
the circuit conditions employed; a low gate drive resistance
will provide for faster switching and vice-versa. The Philips
data sheet presents the switching times for all PowerMOS
with a resistor between gate and source of 50 

. The device

is switched from a pulse generator with a source impedance
also of 50 

. The overall impedance of the gate drive circuit

is therefore 25 

.

Fig.11 Typical turn-on gate-charge characteristics.

V

GS

 = f(Q

G

); conditions: I

D

 = 13 A; parameter V

DS

Also presented under dynamic characteristics are the
typical inductances of the package. These inductances
become important when very high switching speeds are
employed such that large dI/dt values exist in the circuit.
Eg. turning-on 30 A within 60 ns gives a dI/dt of 0.5 A/ns.
The typical inductance of the source lead is 7.5 nH, from
V = -L*dI/dt the potential drop from the source bond pad
(point where the source bond wire connects to the chip
internally) to the bottom of the source lead would be 3.75 V.
Normally a standard device will be driven with a gate-source
voltage of 10 V applied across the gate and source
terminals, the actual voltage gate to source on the

semiconductor however would only be 6.25 V during the
turn-on period! The switching speed is therefore ultimately
limited by package inductance.

Reverse diode limiting values and
characteristics

The reverse diode is inherent in the vertical structure of the
power MOSFET. In some circuits this diode is required to
perform a useful function. For this reason the characteristics
of the diode are specified. The forward currents permissible
in the diode are specified as ’continuous reverse drain
current’ and ’pulsed reverse drain current’. The forward
voltage drop of the diode is also provided together with a
plot of the diode characteristic, Fig.12. The switching
capability of the diode is given in terms of the reverse
recovery parameters, t

rr

and Q

rr

.

Fig.12 Typical reverse diode current.

I

F

 = f(V

SDS

); conditions: V

GS

 = ) V; parameter T

j

Because the diode operates as a bipolar device it is subject
to charge storage effects. This charge must be removed for
the diode to turn-off. The amount of charge stored is given
by Q

rr

, the reverse recovery charge, the time taken to extract

the charge is given by t

rr

, the reverse recovery time. NB. trr

depends very much on the -dI

f

/dt in the circuit, t

rr

is specified

in data at 100 A/

µ

s.

Avalanche limiting value

This parameter is an indication as to the ruggedness of the
product in terms of its ability to handle a transient
overvoltage, ie the voltage exceeds the drain-source
voltage limiting value and causes the device to operate in
an avalanche condition. The ruggedness is specified in
terms of a drain-source non-repetitive unclamped inductive
turn-off energy at a mounting base temperature of 25 ˚C.
This energy level must be derated at higher mounting base
temperatures as shown in Fig.13. NB. this rating is

0

1

2

BUK553-100A

VSDS / V

30 

20 

10 

IF / A

Tj / C = 150

25

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

QG / nC

VGS / V

12 

10 

VDS / V =20 

80 

BUK553-100

73

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

non-repetitive which means the circuit should not be
designed to force

the PowerMOS repeatedly

into

avalanche. This rating is only to permit the device to survive
if exceptional circuit conditions arise such that a transient
overvoltage occurs.

The new generation of Philips Medium Voltage MOSFETs
also feature a repetitive ruggedness rating. This rating is
specified in terms of a drain-source repetitive unclamped
inductive turn-off energy at a mounting base temperature
of 25 ˚C, and indicates that the devices are able to withstand
repeated

momentary

excursions

into

avalanche

breakdown provided the maximum junction temperature is
not exceeded. (A more detailed explanation of Ruggedness
is given in chapter 1.2.7.)

Fig.13. Normalised avalanche energy rating.

W

DSS

% = f(T

mb

); conditions: I

D

 = 13 A

Safe Operating Area

A plot of the safe operating area is presented for every
PowerMOS type. Unlike bipolar transistors a PowerMOS
exhibits no second breakdown mechanism. The safe
operating area is therefore simply defined from the power
dissipation that will cause the junction temperature to reach
the maximum permitted value.

Fig.14 shows the SOA for a BUK553-100. The area is
bounded by the limiting drain source voltage, limiting
current values and a set of constant power curves for
various pulse durations. The plots in data are all for a
mounting base temperature of 25 ˚C. The constant power
curves therefore represent the power that raises the
junction temperature by an amount T

jmax

 - T

mb

, ie. 150 ˚C

for a device with a limiting T

j

of 175 ˚C and 125 ˚C for a

device with a limiting T

j

of 150 ˚C. . Clearly in most

applications the mounting base temperature will be higher
than 25 ˚C, the SOA would therefore need to be reduced.
The maximum power curves are calculated very simply.

Fig.14 Safe operating area. T

mb

 = 25 ˚C

I

D

 & I

DM

 = f(V

DS

); I

DM

 single pulse; parameter t

p

The dc curve is based upon the thermal resistance junction
to mounting base (junction to heatsink in the case of isolated
packages), which is substituted into equation 1. The curves
for pulsed operation assume a single shot pulse and instead
of thermal resistance, a value for transient thermal
impedance is used. Transient thermal impedance is
supplied as graphical data for each type, an example is
shown in Fig.15. For calculation of the single shot power
dissipation capability, a value at the required pulse width is
read from the D = 0 curve and substituted in to equation 2.
(A more

detailed explanation

of

transient thermal

impedance and how to use the curves can be found in
chapter 7.)

Examples of how to calculate the maximum power
dissipation for a 1 ms pulse are shown below. Example 1
calculates the maximum power assuming a T

j

of 175 ˚C and

T

mb

of 25 ˚C. This power equates to the 1 ms curve on the

SOA plot of Fig.14. Example 2 illustrates how the power
capability is reduced if T

mb

is greater than 25 ˚C.

Example 1: 1 ms pulse at 25 ˚C for a BUK553-100A

Z

th

= 0.32 K/W, T

jmax

= 175 ˚C, T

mb

= 25 ˚C

1

100

VDS / V

ID / A

100

10

1

0.1

  10 us

 100 us

   1 ms

  10 ms

RDS(ON) = VDS/ID

 100 ms

   DC

 tp =

BUK553-100

10

B

A

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Tmb /   C

120 

110 

100 

90 

80 

70 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

WDSS%

P

tot

(

dc

)

=

T

jmax

T

mb

R

thj

mb

1

P

tot

(

pulse

)

=

T

jmax

T

mb

Z

thj

mb

2

74

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.15 Transient thermal impedance.

Z

thj-mb

 = f(t); parameter D = t

p

/T

The 469 W line is observed on Fig.13, (4.69 A @ 100 V and
15.6 A @ 30 V etc)

Example 2: 1 ms pulse at 75 ˚C for a BUK553-100A

Z

th

= 0.32 K/W, T

jmax

= 175 ˚C, T

mb

= 75 ˚C

Therefore with a mounting base temperature of 75 ˚C the
maximum permissible power dissipation is reduced by one
third compared with the 25 ˚C value on the SOA plot.

Calculating Currents

The current ratings quoted in the data sheet are derived
directly from the maximum power dissipation.

substituting for P

tot

from equation 1

To calculate a more realistic current it is necessary to
replace T

jmax

in equation 4 with the desired operating

junction temperature and T

mb

with a realistic working value.

It is generally recommended that devices are not operated
continuously at T

jmax

. For reasons of long term reliability,

125 ˚C is a more suitable junction operating temperature.
A value of T

mb

between 75 ˚C and 110 ˚C is also a more

typical figure.

As an example a BUK553-100A is quoted as having a dc
current rating of 13 A. Assuming a T

mb

of 100 ˚C and

operating T

j

of 125 ˚C the device current is calculated as

follows:

From Fig.8

R

thj-mb

= 2 K/W, using equation 4

The device could therefore conduct 6.3 A under these
conditions which equates to a 12.5 W power dissipation.

Conclusions

The most important information presented in the data sheet
is

the

on-resistance

and

the

maximum

voltage

drain-source. Current

values and

maximum

power

dissipation values should be viewed carefully since they
are only achievable if the mounting base temperature is
held to 25 ˚C. Switching times are applicable only for the
specific conditions described in the data sheet, when
making comparisons between devices from different
manufacturers, particular attention should be paid to these
conditions.

I

D

(

@T

mb

) =

T

jmax

T

mb

R

thj

mb

R

DS

(

ON

)

(

@T

jmax

)

1

2

4

1E-07

1E-05

1E-03

1E-01

1E+01

t / s

Zth j-mb / (K/W)

1E+01 

1E+00 

1E-01 

1E-02 

1E-03 

0

0.5

0.2

0.1

0.05

0.02

BUKx53-lv

D = 

t

p

t

p

T

T

P

t

D

D =

R

DS

(

ON

)

(

@ 125

o

C

) =

1.75

R

DS

(

ON

)

(

@ 25

o

C

) =

1.75

0.18

=

0.315

P

max

(

ms pulse

)

=

175

25

0.32

=

469 W

I

D

=

25

2

0.315

1

2

=

6.3 A

P

max

(

ms pulse

)

=

175

75

0.32

=

312 W

I

D

(

@T

mb

)

2

R

DS

(

ON

)

(

@T

jmax

) =

P

tot

3

75

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

High Voltage Bipolar Transistor

77

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

1.3.1  Introduction To High Voltage Bipolar Transistors

This section introduces the high voltage bipolar transistor
and discusses its construction and technology. Specific
transistor properties will be analysed in more detail in
subsequent sections and in Chapter 2, section 2.1.2.

Basic Characteristics

High voltage transistors are almost exclusively used as
electronic switches. Therefore, the characteristics of these
devices are given for the on state, the off state and the
transition between the two i.e. turn-on and turn-off.

The relative importance of the V

CES

and V

CEO

ratings usually

depends on the application. In a half bridge converter, for
instance, the rated V

CEO

is the dominant factor, whilst in a

forward converter V

CES

is important. Which rating is most

applicable may also depend on whether a slow rise network
or snubber is applied (see section 1.3.3).

The saturation properties in the on state and the switching
times are given at a specific collector current called the
collector saturation current, I

Csat

. It is this current which is

normally considered to be the practical working current of
the device. If this device is used at higher currents the total
dissipation may be too high, while at low currents the
storage time is long. At I

Csat

the best compromise is present

for the total spread of products. The value of the base
current used to specify the saturation and switching
properties of the device is called I

Bsat

which is also an

important design parameter. As the device requirements
can differ per application a universal I

Bsat

cannot be quoted.

Device Construction

A drawing of a high voltage transistor, in this case a fully
isolated SOT186 F-pack, is shown in Fig. 1 with the plastic
encapsulation stripped away. This figure shows the three
leads, two of which are connected with wires to the
transistor chip.

The third lead makes contact with the

mounting base on which the crystal is soldered, enabling
good thermal contact with a heatsink. It is the transistor
package which basically determines the thermal properties
of the device.

The electrical properties are mainly

determined by the design of the chip inside.

A cross-section of a transistor chip is given in Fig. 2. Here
the transistor structure can be recognised with the emitter
and the base contacts at the top surface and the collector
connected to the mounting base. The thickest part in the
drawing is the collector n- region across which the high
voltage will be supported in the off state. This layer is of

Fig. 1  Cut-away View of a High Voltage Transistor

prime importance in the determination of the characteristics
of the device. Below the n- region is an extra n+ layer,
needed for a good electrical contact to the heatsink.

Fig. 2  Cross-section of a High Voltage Transistor

Above the collector is the base p layer, and the emitter n+
layer with their respective metallic contacts on top. It is
important to realise that the characteristics of the device
are determined by the active area, this is the area
underneath the emitter where the collector current flows
and the high voltage can be developed. The active area of
two devices with the same chip size may not be the same.

nickel-plated
copper lead
frame

passivated
chip

aluminium
wires

tinned copper
leads

ultrasonic
wire bonds

Base

Collector

Emitter

base

emitter

250V

600V

850V

1150V

n-

n+

n+

p

n+

n-

special glass

79

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 3  Maximum Voltages vs. n- Collector Thickness

N+

P

N-

N+

N+

P

N-

N+

N+

P

N-

N+

TIP49
450 V

BUT11
850 V

BU2508A
1500 V

In addition to the basic collector-base-emitter structure
manufacturers have to add electrical contacts, and special
measures are needed at the edges of the crystal to sustain
the design voltage. This introduces another very important
feature, the high voltage passivation. The function of the
passivation, (the example shown here is referred to as glass
passivation), is to ensure that the breakdown voltage of the
device is determined by the collector-base structure and
not by the construction at the edges.

If no special

passivation was used the breakdown voltage might be as
low as 50% of the maximum value. Manufacturers optimise
the high voltage passivation and much work has also been
done to ensure that its properties do not change in time.

Process Technology

There are several ways to make the above structure. The
starting material can be an n- wafer where first an n+
diffusion is made in the back, followed by the base (p) and
emitter (n+) diffusions. This is the well known triple diffused
process.

Another way is to start with an n+ wafer onto which an n-
layer is deposited using epitaxial growth techniques. A
further two diffusions (base and emitter) forms the basic
transistor structure.

This is called a double diffused

epitaxial process.

Another little used technology is to grow, epitaxially, the
base p-type layer onto an n-/n+ wafer and then diffuse an
n+ emitter. This is referred to as a single diffused epi-base
transistor.

The question often asked is which is the best technology
for high voltage bipolar transistors ? The basic difference
in the technologies is the concentration profile at the n-/n+
junction. For epitaxial wafers the concentration gradient is
much more steeper from n- to n+ than it is for back diffused
wafers. There are more applications where a smoother
concentration gradient gives the better performance.
Manufacturers utilising epitaxial techniques tend to use
buffer layers between the n- and n+ to give smoother

concentration gradients. Another disadvantage of epitaxial
processing is cost: back diffused wafers are much cheaper
than equivalent high voltage epitaxial wafers.

The process technology used to create the edge
passivation is also diverse. The expression "planar" is used
to indicate the passivation technique which is most
commonly used in semiconductors.

This involves the

diffusion of additional n-type rings around the active area
of the device which give an even electric field distribution
at the edge. However, for high voltage bipolar transistors
planar passivation is relatively new and the long term
reliability has yet to be completely optimised. For high
voltage bipolar transistors the most common passivation
systems employ a deep trough etched, or cut, into the
device with a special glass coating.

Like the planar

passivation, the glass passivation ensures an even
distribution of the electric field around the active area.

Maximum Voltage and Characteristics

Fig. 4  Switching Times and h

FE

 vs. V

CEO

200

400

800

15

25

50

10

5

2.5

30

60

120

hFEsat hFE0

Width of n- layer (um)

0.8

0.4

0.2

1.5

3

6

tf

ts

Vceo (V)

(us)

hFE

ts, tf

80

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

High voltage and low voltage transistors differ primarily in
the thickness and resistivity of the n- layer. As the thickness
and resistivity of this layer is increased, the breakdown
voltage goes up. The difference over the range of Philips
high voltage transistors of different voltages is illustrated in
Fig. 3. The TIP49 has a V

CBO

 = 450 V, the BUT11 has a

V

CES

 = 850 V, while the BU2508A can be used up to

voltages of 1500 V.

The penalty for increasing the n- layer is a decrease in high
current h

FE

and an in switching times. The graph in Fig. 4

points this out by giving both switching times and h

FE

as a

function of the breakdown voltage. The values given should
be used as a guide to illustrate the effect. The effect can
be compensated for by having a bigger chip.

Applications of High Voltage Transistors

High voltage transistors are mainly used as the power
switch in energy conversion systems. What is common to

all these systems, is that a current flows through an inductor,
thus storing energy in its core.

When the current is

interrupted by turning off the power switch, the energy must
be transferred one way or another. Very often the energy
is converted into an electrical output e.g. in switched mode
power supplies and battery chargers.

Two special applications are electronic fluorescent lamp
ballasts and horizontal deflection of the electron beam in
TV’s and monitors. In the ballast, an ac voltage is generated
to deliver energy to a fluorescent lamp. In the TV and
monitor a sawtooth current in the deflection coil sweeps the
beam across the screen from left to right and back again in
a much shorter blanking, or flyback, period

Other ways to transfer the energy are ac and dc motor
control where the output is delivered as movement, or
induction heating where the output is delivered in the form
of heat.

81

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

1.3.2  Effects of Base Drive on Switching Times

Introduction

The switching processes that take place within a high
voltage transistor are quite different from those in a small
signal transistor. This section describes, figuratively, what
happens within high voltage transistors under various base
drive conditions. After an analysis of the charges that are
present in a high voltage transistor, the switch-off process
is described. Then comparisons are made of switching for
various forward and reverse base drive conditions.

A

fundamental knowledge of basic semiconductor physics is
assumed.

Charge distribution within a transistor

An off-state transistor has no excess charge, but to enable
transistor conduction in the on-state excess charge build
up within the device takes place. There are three distinct
charge distributions to consider that control the current
through the device, see Fig. 1. These charge distributions
are influenced by the level of collector-emitter bias, V

CE

,

and collector current, I

C

, as shown in Fig. 2.

Forward biasing the base-emitter (BE) junction causes a
depletion layer to form across the junction. As the bias
exceeds the potential energy barrier (work function) for that
junction, current will flow. Electrons will flow out of the
emitter into the base and out of the base contact. For high
voltage transistors the level of BE bias is much in excess
of the forward bias for a small signal transistor. The bias
generates free electron-hole pairs in the base-emitter
leading to a concentration of electrons in the base in excess
of the residual hole concentration. This produces an excess
charge in the base, Qb, concentrated underneath the
emitter.

Fig. 1.   On-state Charge Flow

Not only is there an excess charge in the base near the
emitter junction but the injection and base width ensure that
this excess charge is also present at the collector junction.
Applying a load in series with the collector and a dc supply
between load and emitter will trigger some sort of collector
current, I

C

. The level of I

C

is dependent on the base current,

I

B

, the load and supply voltage. For a certain I

B

, low voltage

supply and high impedance load there will be a small I

C

. As

the supply voltage rises and/or the load impedance falls so
I

C

will rise. As I

C

rises so the collector-emitter voltage, V

CE

,

falls. The I

C

is composed mainly of the excess emitter

electrons that reach the base-collector junction (BC). This
electron concentration will continue into the collector
inducing an excess charge in the collector, Qc.

The concentration of electrons decreases only slightly from
the emitter-base junction to some way into the collector. In
effect, the base width extends into the collector. Decreasing
V

CE

below V

BE

causes the BC junction to become forward

biased throughout. This creates a path for electrons from
the collector to be driven back into the base and out of the
base contact. This electron flow is in direct opposition to
the established I

C

.

With no change in base drive, the

ultimate effect is a reduction in I

C

. This is the classical

‘saturation’ region of transistor operation. As V

CE

falls so

the BC forward bias increases leading to an excess of
electrons at the depletion layer edge in the collector
beneath the base contact. This concentration of electrons
leads to an excess charge, Qd.

The charge flows and excess charges Qb, Qc and Qd are
shown in Fig. 1.

An example of the excess charge

distributions for fixed I

C

and I

B

are shown in Fig. 2.

Fig. 2.   On-state Charge Distribution (example)

The switching process of a transistor

Removing the bias voltage, V

BE

, will cause the electron-hole

pairs to recombine and the excess charge regions to
disappear. Allowing this to happen just by removing V

BE

Q

Qd

Qc

Qb

Vce (V)

Ic = 5 A

Ib = 1 A

B

E

B

Qd

Qc

Qb

P

N+

N-

N+

C

83

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

takes a long time so usually turn-off is assisted in some
way.

It is common practice to apply a negative bias

(typically 5V) to the base, via a resistor and/or inductor,
inducing a negative current that draws the charge out of
the transistor. In the sequence that follows, four phases of
turn-off can be distinguished (see Fig. 3).

1. First the applied negative bias tries to force a negative
bias across the BC junction. The BC electron flow now
stops and the charge Qd dissipates as the bias now causes
the base holes out through the base contact and the
collector electrons back into the bulk collector. When the
BC was forward biased this current had the effect of
reducing the total collector current, so now the negative V

BE

can cause the total collector current to increase (this also
depends on the load). Although the base has been switched
off the load current is maintained by the stored charge
effects; this is called the transistor storage time, t

s

.

During this stage the applied negative bias appears as a
positive V

BE

at the device terminals as the internal charge

distributions create an effective battery voltage. Depleting
the charge, of course, lowers this effective battery voltage.

2. The next phase produces a reduction in both Qb, Qc
and, consequently, I

C

. The BC junction is no longer forward

biased and Qd has dissipated to provide the negative base
current. The inductance in series in the base path requires
a continuation in the base current. The injection of electrons
into the base opposes the established electron flow from
emitter to collector via the base.

At first the opposing

electron flows cancel at the edge of the emitter nearest the
base contacts. This reduces both Qb and Qc in this region.
Qb and Qc become concentrated in the centre of the emitter
area. The decrease in I

C

is called the fall time, t

f

.

3. Now there is an extra resistance to the negative base
current as the electrons flow through the base under the
emitter area. This increase in resistance limits the increase
in amplitude of the negative base current. As Qb and Qc
reduce further so the resistance increases and the negative
base current reaches its maximum value.

As Qb and Qc tend to zero the series inductance ensures
that negative base current must be continued by other
means. The actual mechanism is by avalanche breakdown
of the base-emitter junction. This now induces a negative
V

BE

which is larger than the bias resulting in a reverse in

polarity of the voltage across the inductance. This in turn
triggers a positive rate of change in base current. The
negative base current now quickly rises to zero while the
base-emitter

junction

is

in

avalanche

breakdown.

Avalanche breakdown ceases when the base current tends
to zero and the V

BE

becomes equal to the bias voltage.

Fig. 3.   Phases during turn-off

B

E

B

Qd

Qc

Qb

P

N+

N-

N+

C

B

E

B

Qc

Qb

P

N+

N-

N+

C

B

E

B

P

N+

N-

N+

C

0

Qb

Qc

0

B

E

B

P

N+

N-

N+

C

Qr

84

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

4. If a very small series base inductor is used with the 5V
reverse bias then the base current will have a very fast rate
of change. This will speed up the phases 1 to 3 and,
therefore, the switching times of the transistor. However,
there is a point when reducing the inductor further
introduces another phase to the turn-off process. High
reverse base currents will draw the charges out closest to
the base contact and leave a residual charge trapped deep
in the collector regions furthest away from the base. This
charge, Qr, must be removed before the transistor returns
fully to the off-state. This is detected as a tail to I

C

at the

end of turn-off with a corresponding tail to the base current
as it tends to zero.

The switching waveforms for a BUT11 in a forward
converter are given in Fig. 4 where the four phases can
easily be recognised. (Because of the small base coil used
both phases in the fall time appear clearly!).

1 - Removal of Qd until t 

 0.7 

µ

s

ts

2 - Qc and Qb decrease until t 

 1.7 

µ

s

ts

3 - Removal of Qb and Qc until t 

 1.75 

µ

s

tf

4 - Removal of Qr until t 

 1.85 

µ

s

tf

Note the course of V

BE

: first the decrease in voltage due to

the base resistance during current contraction and second
(because a base coil has been used) the value of V

BE

is

clamped by the emitter-base breakdown voltage of the
transistor.

It should be remembered that because

breakdown takes place near the surface and not in the
active region no harm comes to the transistor.

Fig. 4.   BUT11 waveforms at turn-off

The influence of forward drive on stored
charge

Fig. 5 shows how, for a transistor in the on-state, at a fixed
value of I

C

and I

B

the three charges Qb, Qc and Qd depend

upon V

CE

. The base charge, Qb, is independent of V

CE

, it

primarily depends upon V

BE

.

For normal base drive

conditions, a satisfactory value for V

CEsat

is obtained,

indicated by N in Fig. 5, and moderate values for Qc and
Qd result.

Fig. 5.   Charges as a function of V

CE

With the transistor operating in the active region, for
V

CE

 

 1V, there will be a charge Qc but no charge Qd. This

is indicated by D in Fig. 5. At the other extreme, with the
transistor operating in the saturation region Qc will be higher
and Qd will be higher than Qc. This is indicated by O in
Fig. 5. In this condition there are more excess electron-hole
pairs to recombine at switch off.

Increasing I

B

causes Qb to increase. Also, for a given I

C

,

Qc and Qd will be higher as V

CE

reduces. Therefore, for a

given I

C

, the stored charge in the transistor can be controlled

by the level of I

B

. If the I

B

is too low the V

CE

will be high with

low Qc and zero Qd, as D in Fig. 5. This condition is called
underdrive. If the I

B

is too high the V

CE

will be low with high

Qc and Qd, as O in Fig. 5.

This condition is called

overdrive. The overdrive condition (high forward drive)
gives high stored charge and the underdrive condition (low
forward drive) gives low stored charge.

Deep-hole storage

As the high free electron concentration extends into the
base and collector regions ther must be an equivalent hole
concentration.

Fig. 6 shows results obtained from a

computer model which illustrates charge storage as a
function of V

CE

. Here the hole density, p(x), is given as a

function of depth inside the active area; the doping profile
is also indicated. It can be seen that overdrive, O, causes
holes to be stored deep in the collector at the collector -
substrate junction known as "deep-hole storage", this is the
main reason for the increase in residual charge, Qr.

Q

Qd

Qc

Qb

0.2

0.5

1.0

Vce (V)

O

N

D

Ic

Vce

Ib

Vbe

1 A/div

1 A/div

200 V/div

5 V/div

0.5 us/div

85

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

During overdrive not only Qd becomes very big but also
holes are stored far away from the junction: this thus leads
not only to a longer storage time, but also to a large Qr
resulting in tails in the turn-off current.

Fig. 6.   Deep hole storage in the collector region

Desaturation networks

A desaturation network, as shown in Fig. 7, limits the stored
charge in the transistor and, hence, aids switching. The
series base diode, D1 means that the applied drive voltage
now has to be V

BE

plus the V

F

of D1. The anti-parallel diode,

D2 is necessary for the negative I

B

at turn-off. As V

CE

reduces below V

BE

 + V

F

so the external BC diode, D3,

becomes forward biased. D3 now conducts any further
increase in drive current away from the base and into the
collector. Transistor saturation is avoided.

With a desaturation network the charge Qd equals zero and
the charge Qc is minimised.

When examining the

distribution of the charge in the collector region (see Fig. 6)
it can be seen that deep hole storage does not appear.
Desaturation networks are a common technique for
reducing switching times.

It should be realised that there is a drawback attached to
operating out of saturation: increased dissipation during the
on-state.

Base drive design often requires a trade-off

between switching and on-state losses.

Fig. 7.   Desaturation network

(Baker clamp)

Breakdown voltage vs. switching times

For a higher breakdown voltage transistor the n- layer (see
Fig. 1) will be thicker and of higher resistivity (ie a lower
donor atom concentration).

This means that when

comparing identical devices the values for Qd and Qc will
be higher, for a given I

C

, in the device with the higher

breakdown voltage.

In general:

-

the higher BV

CEO

the larger Qd and Qc will be;

-

during overdrive Qd is very high and there is a charge
located deep in the collector region (deep hole storage);

-

when desaturated Qd equals zero and there is no deep
hole storage: Qc is minimised for the I

C

.

Turn-off conditions

Various ways of turning off a high voltage transistor are
used but the base should always be switched to a negative
supply via an appropriate impedance. If this is not done,
(ie turn-off is attempted by simply interrupting the base
current), very long storage times result and the collector
voltage increases, while the collector current falls only
slowly. A very high dissipation and thus a short lifetime of
the transistor are the result. The charges must be removed
using a negative base current.

a) Hard turn-off

The technique widely used, especially for low voltage
transistors, is to switch directly to a negative voltage, (see
Fig. 8a). In the absence of a negative supply, this can be
achieved with an appropriate R-C network (Fig. 8b). Also
applying an "emitter-drive" (Fig. 8c) with a large base
capacitor in fact is identical to hard-turn-off.

The main drawback for high voltage transistors is that the
base charge Qb is removed too quickly, leaving a high
residual charge. This leads to current tails (long fall times)
and high dissipation.

It depends upon what state the

transistor is in (overdriven or desaturated), whether this way
of turn-off is best. It also depends upon the kind of transistor
that must be switched off. If it is a lower voltage transistor
(BV

CEO

 

 200V) then this will work very well because the

charges Qc and Qd will be rather low. For transistors with
a higher breakdown voltage, hard turn-off will yield the
shortest storage time at the cost, however, of higher turn-off
dissipation (longer t

f

).

b) Smooth turn-off

To properly turn-off a high voltage transistor a storage time
to minimise Qd and Qc is required, and then a large negative
base current to give a short fall time.

0

80

160

40

20

60

120

100

140

20

10

12

14

16

18

10

10

10

10

10

10

Vce = 1 V

0.5 V

0.2 V

p(x) at J = 140 A / cm2

p(x)

x (um)

E

B

C

D

N

O

B

C

E

D3

D1

D2

86

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 8.   Hard turn-off

-V

+Ib

++

Lc

++

Lc

+V

C

R

++

Lc

+V

+I

R

C

(a)

(b)

(c)

The easiest way to obtain these turn-off requirements is to
switch the base to a negative supply via a base coil, see
Fig. 9.

The base coil gives a constant dI

B

/dt (approx.) during the

storage time. When the fall time begins the negative base
current reaches its maximum and the Lb induces the BE
junction into breakdown (see Fig. 4).

An optimum value exists for the base coil: if Lb = 0 we have
the hard turn-off condition which is not optimum for standard
high voltage transistors. If the value of Lb is too high it slows
the switching process so that the transistor desaturates.
The V

CE

increases too much during the storage time and

so higher losses result (see Fig. 10).

For high voltage transistors in typical applications (f = 15 to
40 kHz,

standard

base

drive,

not

overdriven,

not

desaturated) the following equations give a good indication
for the value of Lb.

Using - V

dr

 = 5V, V

BEsat

 = 1V and transistors having

BV

CEO

 = 400V it follows that:

c) Other ways of turn-off

Of course, other ways of turn-off are applicable but in
general these can be reduced to one of the methods
described above, or something in between. The BV

CEO

has

a strong influence on the method used: the higher BV

CEO

the longer the storage time required to achieve proper
turn-off. For transistors having a BV

CEO

of 200V or less hard

turn-off and the use of a base coil yield comparable losses,
so hard turn-off works well. For transistors having BV

CEO

more than 400V hard turn-off is unacceptable because of
the resulting tails.

Fig. 9.   A base coil to aid turn-off.

+Ib

++

Lc

-Vdr

L

B

=

(−

V

dr

+

V

BEsat

)

d I

B

dt

with

dI

B

dt

0.5

I

C

(

A

s

)

for

BV

CEO

=

400V

,

BV

CES

=

800V

and

dI

B

dt

0.15

I

C

(

A

s

)

for

BV

CEO

=

700V

,

BV

CES

=

1500V

L

B

=

12

I

C

H

(

I

C

in

Amps

)

87

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 10.   Variations of Lb on I

C

 and V

CE

 waveforms at turn-off

Ic

Vce

Ic

Vce

Ic

Vce

Lb = 0

Lb = opt

Lb > Lb opt

Turn-off for various forward drive
conditions

Using the BUT11 as an example, turn-off characteristics
are discussed for optimum drive, underdrive and overdrive
with hard and smooth turn-off.

a) Optimum drive
The optimum I

B

and Lb for a range of I

C

is given in Fig. 11

for the BUT11. The I

B

referred to is I

Bend

which is the value

of I

B

at the end of the on-state of the applied base drive

signal. In most applications during the on-state the I

B

will

not be constant, hence the term I

Bend

rather than I

Bon

. For

optimum drive the level of I

Bend

increases with I

C

. For smooth

turn-off the level of Lb decreases with increasing I

C

.

Fig. 11.   I

Bend

 and Lb for the BUT11

Deviations from Fig. 11 will generally lead to higher power
dissipation. If a short storage time is a must in a certain
application then Lb can be reduced but this will lead to
longer fall times and current tails.

With hard turn-off I

B

reaches its peak negative value as all

the charge is removed from the base. For continuity this
current must be sourced from elsewhere. It has been shown
that the BE junction now avalanches, giving instantaneous
continuity followed by a positive dI

B

/dt. However, for hard

turn-off the current is sourced by the residual collector
charge without BE avalanche, see Fig. 12.

The small

negative V

BE

ensures a long tail to I

C

and I

B

.

b) Underdrive (Desaturated drive)
As has been indicated previously, desaturating, or
underdriving, a transistor results in less internal charge. Qd
will be zero and Qc is low and located near the junction.

If the application requires such a drive then steps should
be taken to optimise the characteristics. One simple way
of obtaining underdrive is to increase the series base
resistance with smooth turn-off. The same effect can be
achieved with optimum I

Bend

and a base coil having half the

value used for optimum drive, ie hard turn-off.

Both

methods give shorter t

s

and t

f

. For 400V BV

CEO

devices (like

the Philips BUT range) such a harder turn-off can lead to
reasonable results.

Fig. 13 compares the use of the optimum base coil with
hard turn-off for an undriven BUT11. For underdrive the
final I

C

is less and hence the collector charge is less.

Therefore, underdrive and hard turn-off gives less of a tail
than for a higher I

Bend

. Underdrive with smooth turn-off gives

longer ts but reduced losses.

c) Overdrive
When a transistor is severely overdriven the BC charge,
Qd, becomes so large that a considerable tail will result
even with smooth turn-off.

In general, deliberately

designing a drive circuit to overdrive a transistor is not done:
it has no real value. However, most circuits do have variable
collector loads which can result in extreme conditions when
the circuit is required to operate with the transistor in
overdrive.

88

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 12.   Optimum drive with hard turn-off (top)

and smooth turn-off (bottom) for BUT11

Fig. 13.   Underdrive with hard turn-off (top)

and smooth turn-off (bottom) for BUT11

Fig. 14.   Overdrive with hard turn-off (top)

and smooth turn-off (bottom) for BUT11

Fig. 14 compares the use of the optimum base coil with
hard turn-off for an overdriven BUT11. For overdrive there
is more base charge, also the final collector current will be
higher and, hence, there will be more collector charge. The
overdriven transistor is then certain to have longer switching
times as there are more electron-hole pairs in the device
that need to recombine before the off-state is reached.

Conclusions

Two ways of turning off a high voltage transistor, hard
turn-off and the use of a base coil, were examined in three
conditions of the on-state: optimum drive, overdrive and
underdrive.

For transistors having BV

CEO

 ~ 400 V the use of a base coil

yields low losses compared to hard turn-off. As a good
approximation the base coil should have the value:

for optimum drive.

When using a desaturation circuit the value for Lb can be
halved with acceptable results.

Overdrive should be prevented as much as possible
because considerable tails in the collector current cause
unacceptable losses.

Ic

Vce

Ib

Vbe

1 A/div

1 A/div

200 V/div

5 V/div

0.5 us/div

Ic

Vce

Ib

Vbe

1 A/div

1 A/div

200 V/div

5 V/div

0.5 us/div

Ic

Vce

Ib

Vbe

1 A/div

1 A/div

200 V/div

5 V/div

0.5 us/div

Ic

Vce

Ib

Vbe

1 A/div

1 A/div

200 V/div

5 V/div

0.5 us/div

Ic

Vce

Ib

Vbe

1 A/div

1 A/div

200 V/div

5 V/div

0.5 us/div

Ic

Vce

Ib

Vbe

1 A/div

1 A/div

200 V/div

5 V/div

0.5 us/div

L

B

=

12

I

C

µ

H

89

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

1.3.3  Using High Voltage Bipolar Transistors

This section looks at some aspects of using high voltage
bipolar transistors in switching circuits. It highlights points
such as switching, both turn-on and turn-off, Safe Operating
Areas and the need for snubber circuits. Base drive design
curves for the BUT11, BUW12 and BUW13 are discussed
under ’Application Information’ at the end of this section.

Transistor switching:  turn-on

To make optimum use of today’s high voltage transistors,
one should carefully choose the correct value for both the
positive base current when the transistor is on and the
negative base current when the device is switched off (see
Application Information section).

When a transistor is in the off-state, there are no carriers
in the thick n- collector, effectively there is a resistor with a
relatively high value in the collector.

To obtain a low

on-state voltage, a base current is applied such that the
collector area is quickly filled with electron - hole pairs
causing the collector resistance to decrease.

In the

transition time, the so called turn-on time, the voltage and
current may both be high, especially in forward converters,
and high turn-on losses may result. Initially, all the carriers
in the collector will be delivered via the base contact and,
therefore, the base current waveform should have a peak
at the beginning. In this way the carriers quickly fill the
collector area so the voltage is lower and the losses
decrease.

In flyback converters the current to be turned on is normally
low, but in forward converters this current is normally high.
The collector current, I

C

, reaches its on-state value in a short

time which is normally determined by the leakage
inductance of the transformer.

Fig. 1  Turn-on of a high voltage bipolar transistor

In Fig. 1 the characteristic ‘hump’ which often occurs at
turn-on in forward converters due to the effect of the
collector series resistance is observed.

The turn-on losses are strongly dependent on the value of
the leakage inductance and the applied base drive. It is
generally advised to apply a high initial +I

B

for a short time

in order to minimise turn on losses.

A deeper analysis can be found in sections 1.3.2, 2.1.2 and
2.1.3.

Turn on losses are generally low for flyback

converters but are the most important factor in forward
converter types.

Turn-off of high voltage transistors

All charge stored in the collector when the transistor is on
should be removed again at turn-off. To ensure a quick
turn-off a negative base current is applied. The time needed
to remove the base - collector charge is called the storage
time. A short storage time is needed to minimise problems
within the control loop in SMPS and deflection applications.

Fig. 2  Effects of -I

B

 on turn-off

Care is needed to implement the optimum drive.

First

overdrive should be prevented by keeping +I

B

to a minimum.

Overdrive results in current tails and long storage times.
But, decreasing I

B

too much results in high on-state losses.

Second, the negative base current should be chosen
carefully. A small negative base current (-I

B

) will give a long

storage time and a high V

CEsat

at the end of the storage time,

while the current is still high. As a consequence, the turn-off
losses will be high. If, however, a large negative base
current is used, the danger exists that tails will occur in the
collector current, again resulting in high losses. There is
an optimum as shown in Fig. 2.

A circuit which is worth considering, especially for higher
frequencies, is the Baker Clamp or desaturation circuit.
This circuit prevents saturation of the transistor and, hence,
faster switching times are achieved.

Ic

Vce

Ic

Vce

Ic

Vce

-Ib is too high

-Ib is optimum

-Ib is too low

Ic

Vce

Ic = 1 A/div

Vce = 50 V/div

91

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The total losses depend on the base drive and the collector
current. In Fig.3 the total losses are shown for a BUW133
as a function of the positive base current, for both the
saturated and the desaturated case.

Note that when

different conditions are being used the picture will change.
The application defines the acceptable storage time which
then determines the base drive requirements.

Fig. 3  BUW133 losses versus base drive

The total number of variables is too large to give unique
base drive advice for each application. As a first hint the
device data sheets give I

C

and I

B

values for V

CEsat

, V

BEsat

and

switching. However, it is more important to appreciate the
ways to influence base drive and the consequences of a
non-optimised circuit.

For a flyback converter the best value of I

Bend

to start with

is about 2/3 of the I

B

value given in data for V

CEsat

and V

BEsat

.

In this application the forward base current is proportional
to the collector current (triangular shaped waveforms) and
this I

Bend

value will give low on-state losses and fast

switching.

The best turn-off base current depends on the breakdown
voltage of the transistor.

As a guide, Table 1 gives

reasonable values for the target storage time and may be
used to begin optimising the base drive:

f (kHz)

tp (

µ

s)

target ts (

µ

s)

25

20

2.0

150

10

1.5

100

5

1.0

Table 1  Target ts for varying frequency and pulse width

The above table holds for transistors with a V

CEOmax

rating

of 400-450V and V

CESmax

between 850-1000V. Transistors

with higher voltages require longer storage times, eg.

transistors with V

CEOmax

 = 700V and V

CESmax

 = 1500V need

a storage time which is approximately double the value in
the table.

A recommended way to control the storage time is by
switching the base to a negative voltage rail via a base coil.
The leakage inductance of a driver transformer may serve
as an excellent base coil. As a guide, the base coil should
be chosen such that the peak value of the negative base
current equals half the value of the collector current.

Specific problems and solutions

A high voltage transistor needs protection circuits to ensure
that the device will survive all the currents and voltages it
will see during its life in an application.

a) Over Current

Exceeding current ratings normally does not lead to
immediate transistor failure. In the case of a short circuit,
the protection is normally fast enough for problems to be
avoided. Most devices are capable of carrying very high
currents for short periods of time. High currents will raise
the junction temperature and if T

jmax

is exceeded the

reliability of the device may be weakened.

b) Over Voltage

In contrast with over current, it is NOT allowed to exceed
the published voltage ratings for V

CEO

and V

CES

(or V

CBO

).

In switching applications it is common for the base - emitter
junction to be taken into avalanche, this does not harm the
device. For this reason V

EBO

limits are not given in data.

Exceeding V

CEO

and V

CES

causes high currents to flow in

very small areas of the device. These currents may cause
immediate damage to the device in very short times
(nanoseconds). So, even for very short times it is not
allowed to have voltages above data for the device.

In reality V

CEO

and V

CES

are unlikely to occur in a circuit. If

V

BE

= 0V the there will probably still be a path between the

base and the emitter. In fact the situation is V

CEX

where X

is the impedance of this path. To cover for all values of X,
the limit is X=

, ie V

CEO

. For all V

BE

 < 0V, ie V

CEV

, the limit

case is V

BE

= 0V, ie V

CES

.

If voltage transients that exceed the voltage limits are
detected then a snubber circuit may limit the voltage to a
safe value. If the over voltage states last greater than a
few

µ

s a higher voltage device is required.

c) Forward Bias Safe Operating Areas (FBSOA)

The FBSOA is valid for positive values of V

BE

. There is a

time limit to V

CE

- I

C

operating points beyond which device

failure becomes a risk. At certain values of V

CE

and I

C

there

is a risk of secondary breakdown; this is likely to lead to the
immediate failure of the device. The FBSOA curve should
only be considered during drastic change sequences; for
example, start-up, s/c or o/c load.

With Baker Clamp

Saturated

100

200

300

400

500

600

700

Etot (uJ)

1

2

3

4

Ib (A)

Forward Converter

Ic = 10 A

92

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

d) Reverse Bias Safe Operating Area (RBSOA)

The RBSOA is valid for negative values of V

BE

. During

turn-off with an inductive load the V

CE

will rise as the I

C

falls.

For each device type there is a V

CE

- I

C

boundary which, if

exceeded, will lead to the immediate failure of the device.
To limit the V

CE

- I

C

path at turn-off snubber circuits are used,

see Fig. 4.

Fig. 4  HVT with inductive load and typical snubber

At turn-off, as the V

CE

rises the diode starts conducting

charging the capacitor. The additional diode current means
that the total load current does not decrease so fast at
turn-off. This slower current tail in turn ensures a slower
V

CE

rise. The slower V

CE

rise takes the transistor through

a safer V

CE

- I

C

path away from the limit, see Fig. 5.

As a handy guide, the snubber capacitor in a 20-40 kHz
converter is about 1nF for each 100W of throughput power
(this is the power which is being transferred via the
transformer). This value may be reduced empirically as
required.

Fig. 5  BUW13A RBSOA limit

V

CE

 - I

C

 path with and without snubber

The following table may serve as a guide to the value of
dV

CE

/dt for some switching frequencies

f (kHz)

25

50

100

dV

CE

/dt

1

2

4

(kV/

µ

s)

The snubber resistor should be chosen so that the capacitor
will be discharged in the shortest occurring on-time of the
switch.

In some cases the losses in the snubber may be
considerable.

Clever designs exist to feed the energy

stored in the capacitor back into the supply capacitor, but
this is beyond the scope of this report.

5

10

15

20

200

400

600

800

1000

BUW13A

Ic

Vce

Without Snubber

With Snubber

Vs

Fig. 6  Transistor with maximum protection networks in SMPS circuit

R5

C5

C4

D4

D5

D6

R4

TR1

L6

R6

D3

D1

D2

Lo

Co

Vo

Vi

93

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

d) Other protection networks

In Fig. 6 a "maximum protection" diagram is shown with
various networks connected. R4, C4, and D4 form the
snubber to limit the rate of rise of V

CE

. The network with

D5, R5 and C5 forms a "peak detector" to limit the peak
V

CE

.

The inductor L6 serves to limit the rate of rise of I

C

which

may be very high for some transformer designs. The slower
dI

C

/dt leads to considerably lower turn-on losses. Added

to L6 is a diode D6 and resistor R6, with values chosen so
that L6 loses its energy during the off-time of the power
switch.

While the snubber is present in almost all SMPS circuits
where transistors are used above V

CEOmax

, the dI

C

/dt limiter

is only needed when the transformer leakage inductance
is extremely low. The peak detector is applied in circuits
which have bad coupling between primary and secondary
windings.

Application Information

Important design factors of SMPS circuits are the maximum
power losses, heatsink requirements and base drive
conditions of the switching transistor. The power losses
are very dependent on the operating frequency, the

maximum collector current amplitude and shape.

The operating frequency is usually between 15 and 50 kHz.
The collector current shape varies from rectangular in a
forward converter to sawtooth in a flyback converter.

Examples of base drive and losses are given in Appendix 1
for the BUT11, BUW12 and BUW13. In these figures I

CM

represents the maximum repetitive peak collector current,
which occurs during overload. The information is derived
from limit-case transistors at a mounting base temperature
of 100 ˚C under the following conditions (see also Fig. 7):

- collector current shape I

C1

/ I

CM

= 0.9

- duty factor (t

p

/ T) = 0.45

- rate of rise of I

C

during turn-on = 4 A/

µ

s

- rate of rise V

CE

during turn-off = 1 kV/

µ

s

- reverse drive voltage during turn-off = 5 V
- base current shape I

B1

/ I

Be

= 1.5

The required thermal resistance of the heatsink can be
calculated from

To ensure thermal stability a maximum value of the ambient
temperature, T

amb

, is assumed: T

amb 

 40˚C.

R

th

(

mb

amb

)

<

100

T

amb

P

tot

K/W

Fig. 7  Relevant waveforms of the switching transistor in a forward SMPS.

Ic

Ic1

Icm

Vce

Ib

Vbe

Ib1

Ib(end)

-Vdrive

T

tp

dIc/dt

0.9 Icm

0.1 Icm

t1 = 0.5 us

Vce(t1)

ts

tf

Turn-on

Turn-off

94

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

As a base coil is normally advised and a negative drive
voltage of -5V is rather common, the value for the base coil,
L

B

, is given for these conditions. For other values of -V

drive

(-3 to -7 volt) the base coil follows from:

Where L

Bnom

is the value given in Appendix 1.

It should be noted, that this advice yields acceptable power
losses for the whole spread in the product. It is not just for
typical products as is sometimes thought !

This is

demonstrated in Fig. 8, where limit and typical devices are
compared

(worst-case

saturation

and

worst-case

switching).

It appears that the worst-case fall time devices have losses
P0

for

I

Bend

 = (Ib adv) + 20%,

while

the

saturation

worst-case devices have the same losses at (Ib adv) - 20%.
A typical device now has losses P1 at Ib adv, while the
optimum I

Bend

for the typical case might yield losses P2 at

an approximately 15% lower I

Bend

(NB: this is not a rule, it

is an example).

Fig. 8  Losses as a function of I

Bend

Conclusion

To avoid exceeding the RBSOA of an HVT, snubbers are
a requirement for most circuits. To minimise both switching
and on-state losses, particular attention should be given to
the design of the base drive circuit. It is generally advised
that a high initial base current is applied for a short time to
minimise turn-on loss. As a guide-line for turn-off, a base
coil should be chosen such that the peak value of the
negative base current equals half the value of the collector
current.

-20%

Ib adv

+20%

Ibe

w.c. (tf)

typ.

w.c. (sat)

P0

P1

P2

Ploss

L

B

=

L

Bnom

(−

V

drive

+

1

)

6

95

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Appendix 1  Base Drive Design Graphs

BUT11 Base Drive Design Information

BUW12 Base Drive Design Information

BUW13 Base Drive Design Information

96

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

1.3.4  Understanding The Data Sheet:  High Voltage Transistors

Introduction

Being one of the most important switching devices in
present day switched mode power supplies and other fast
switching applications, the high voltage transistor is a
component with many aspects that designers do not always
fully understand. In spite of its "age" and the variety of
papers and publications by manufacturers and users of high
voltage transistors, data sheets are somewhat limited in the
information they give. This section deals with the data
sheets of high voltage transistors and the background to
their properties. A more detailed look at the background to
transistor specifications can be found in chapter 2.1.2.

Fig. 1 shows the cross section of a high voltage transistor.
The active part of the transistor is highlighted (the area
underneath the emitter) and it is this part of the silicon that
determines

the

primary

properties

of

the

device:

breakdown voltages, h

FE

, switching times. All the added

parts can only make these properties worse:

a bad

passivation scheme can yield a much lower collector-base
breakdown voltage, too thin wires may seriously decrease
the current capability, a bad die bond (solder layer) leads
to a high thermal resistance leading to poor thermal fatigue
behaviour.

Fig. 1  Simplified cross section of an HVT

The Data Sheet

The data sheet of a high voltage transistor can specify -

* Limiting Values / Ratings:

the maximum allowable

currents through and voltages across terminals, as well as
temperatures that must not be exceeded.

* Characteristics: describing properties in the on and off
state (static) as well as dynamic, both in words and in
figures.

* SOA: Safe Operating Area both in forward and reverse
biased conditions.

Data sheets are intended to be a means of presenting the
essentials of a device and, at the same time, to give an
overview of the guaranteed specification points. This data
is checked as a final measurement of the device and
customers may wish to use it for their incoming inspection.
For this reason the data is such that it can be inspected
rather easily in relatively simple test circuits.

This

somewhat application unfriendly way of presenting data is
unavoidable if cheap devices are a must, and they are !

Each of the above mentioned items will now be discussed
in more detail, in some instances parts of the data for a
BUT11 will be used as an example. The BUT11 is intended
for 3A applications and has a maximum V

CES

of 850V.

Limiting Values / Maximum Ratings

There is a significant difference between current and
voltage ratings. Exceeding voltage ratings can lead to
breakdown phenomena which are possibly destructive
within fractions of a second.

The avalanche effects

normally take place within a very small volume and,
therefore, only a little energy can be absorbed. Surge
voltages,

that

are

sometimes

allowed

for

other

components, are out of the question for high voltage
transistors.

There is, however, no reason to have a derating on
voltages: using the device up to its full voltage ratings - in
worst case situations - is allowed. The life tests, carried out
in Philips quality laboratories, clearly show that no voltage
degradation takes place and excellent reliability is
maintained.

From the above, it should be clear that the habit of derating
is not a good one.

If, in a particular application, the

collector-emitter voltage never exceeds, say 800V, the
required device should be an 850V device not a 1500V
device. Higher voltage devices not only have lower h

FE

, but

also slower switching speeds and higher dissipation.

The rating for the emitter-base voltage is a special case:
to allow a base coil to be used, the base-emitter diode may
be brought into breakdown; in some cases a -I

Bav

is given

to prevent excessive base-emitter dissipation. The only
effect of long term repetitive base-emitter avalanche
breakdown that has been observed is a slight decrease in
h

FE

at very low values of collector current (approximately

10% at

 5mA);

at higher currents the effects can be

neglected completely.

N

P

N

mounting base = collector

bonding wire

glass passivation

active area

solder

97

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The maximum value for V

CEO

is important if no snubber is

applied; it sets a firm boundary in applications with a very
fast rising collector voltage and a normal base drive (see
also section on SOA).

Currents above a certain value may be destructive if they
last long enough: bonding wires fuse due to excessive
heating. Therefore, short peak currents are allowed well
above the rated I

Csat

with values up to five times this value

being published for I

CM

. Exceeding the published maximum

temperatures is not immediately destructive, but may
seriously affect the useful life of the device. It is well known,
that the useful life of a semiconductor device doubles for
each 10K decrease in working junction temperature.
Another factor that should be kept in mind is the thermal
fatigue behaviour, which strongly depends on the
die-bonding technology used. Philips high voltage devices
are capable of 10,000 cycles with a temperature rise of 90K
without any degradation in performance.

This kind of consideration leads to the following advice:
under

worst

case

conditions

the

maximum

case-temperature should not exceed 115 ˚C for reliable
operation. This advice is valid regardless of the maximum
temperature being specified. Of course, for storage the
published values remain valid.

The maximum total power dissipation P

tot

is an industry

standard, but not very useful, parameter. It is the quotient
of T

jmax

- T

mb

and R

th(j-mb)

(R

th(j-mb)

is the thermal resistance

from junction to mounting base and T

mb

is assumed to be

25˚C). This implies a rather impractical infinite heatsink,
kept at 25˚C !

Electrical Characteristics

Static parameters characterise leakage currents, h

FE

,

saturation voltages; dynamic parameters and switching
times, but also include transition frequency and collector
capacitance.

To start: I

Csat

, the collector saturation current, is that value

of the collector current where both saturation and switching
properties of the devices are specified.

I

Csat

is not a

characteristic that can be measured, but it is used as an
indication of the of the peak working current allowed through
a device.

In the off-state various leakage currents are specified,
however, these are of little use as they indicate the low level
of dissipation in the off state. Also a V

CEOsust

is specified,

usually being equal to the max. V

CEO

.

For switching

purposes it is the RBSOA that is important (see next
section).

In the on state the saturation voltages V

CEsat

and, to a lesser

extent, V

BEsat

are important. V

CEsat

is an indication of the

saturation losses and V

BEsat

normally influences base drive.

Sometimes worst case V

CEsat

is given as a function of both

I

C

and I

B

. It is not possible to precisely relate these curves

to a real circuit; in practice, currents and voltages will vary
over the switching cycle. The dynamic performance is
different to the static performance. However, a reasonable
indication can be obtained from these curves.

Both the transition frequency (f

T

) and the collector

capacitance (C

c

or C

ob

) are minor parameters relating to the

design and processing technology used.

Switching times may be given in circuits with an inductive
or a resistive collector load. See Figs. 2a-b for simplified
test circuits and Figs. 3a-b for waveforms.

Fig. 2a  Test circuit for resistive load

Fig. 2b  Test circuit for inductive load

When

comparing

similar

devices

from

different

manufacturers one is confronted with a great variety of base
drive conditions.

The positive base current (+I

B

) may be

the same as the one used in the V

CEsat

spec. but also lower

values (up to 40% lower) or desaturation networks may be
used, yielding better ts and tf values. The negative base
drive, -I

B

, may equal +I

B

or it may be twice this value, yielding

a shorter ts, and sometimes it is determined by switching
the base to a negative voltage, possibly via a base coil.
Altogether it is quite confusing and when comparing
switching times one should be well aware of all the
differences!

tp

T

VCC

RL

RB

T.U.T.

0

VIM

LB

IBon

-VBB

LC

T.U.T.

VCC

98

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 3a  Waveforms for Resistive Switching.

Fig. 3b  Waveforms for Inductive Switching.

As an example a BUT11 has been measured at I

C

= 3A in

a resistive test circuit varying both +I

B

and -I

B

. The results

in Table 1 show that it is possible to turn a normal transistor
into a super device by simple specmanship!

I

C

 = 3 A

ts (

µ

s)

tf (ns)

+I

B

 = 0.6 A; -I

B

 = 0.6 A

2.5

260

(normal case)

+I

B

 = 0.36 A; -I

B

 = 0.72 A

1.6

210

(underdriven)

+I

B

 = 0.36 A; -V

BE

 = -5 V

0.8

50

(underdriven, hard turn-off)

Table 1 Switching times and base drive for the BUT11

The effect of base drive variations on storage and fall times
is given in Table 2. The reference is the condition that both
+I

B

as well as -I

B

equals the value for I

B

given for the V

CEsat

specification in the data sheet.

ts

tf

comments

+I

B

 = ref.

normal

normal

reference

+I

B

 = 40% less

Desaturated

-I

B

 = ref.

normal

normal

reference

-I

B

 = 2 x +I

B

Directly to -5 V

with normal

base drive!

Directly to -5 V

if underdriven

Via L to -5 V

Table 2  Switching times and base drive variations.

The turn-on time is a parameter which only partially
correlates with dissipation as it is usually the behaviour
directly after the turn-on time which appears to be most
significant. Both inductive and resistive load test circuits
are only partially useful, as resistive loads are seldom used
and very often some form of slow-rise network is used with
inductive loads.

Both circuits provide easy lab.

measurements and the results can be guaranteed.

The

alternative of testing the devices in a real switched mode
power supply would be too costly!

Safe Operating Area

The difference between forward bias safe operating area
(FBSOA) and reverse bias safe operating area (RBSOA)
is in the device V

BE

: if V

BE

 > 0V it is FBSOA and if V

BE

 < 0V

it is RBSOA. Chapter 2.1.3 deals with both subjects in more
detail, a few of the main points are covered below.

FBSOA gives boundaries for dc or pulsed operation. In
switching applications, where the transistor is "on" or "off",
normally the excursion in the I

C

-V

CE

plane is fast enough to

allow the designer to use the whole plane, with the
boundaries I

Cmax

and V

CEO

, as given in the ratings. This is

useful for snubberless applications and for overload, fault
conditions or at switch-on of the power supply

Fig. 4 gives the FBSOA of the BUT11 with the boundaries
of I

Cmax

, I

CMmax

and V

CEO

, all as given in the ratings. There

is a P

totmax

(1) and I

SB

boundary (2), that both shift at higher

levels of I

C

when shorter pulses are used. Note that in the

upper right hand corner pulse times of 20

µ

s are permitted

leading to a square switching SOA. For overload, fault
condition or power supply switch-on an extra area is added
(area III). All these conditions are for V

BE

 

 0V.

IC

IB

10 %

10 %

90 %

90 %

ton

toff

ts

tf

IBon

-IBoff

ICon

IC

IB

ICon

IBon

-IBoff

t

t

ts

tf

toff

10 %

90 %

99

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

(1) P

totmax

 and P

totpeak

 max. lines

(2) Second breakdown limits (independent of
temperature).
I   Region of permissible dc operation.
II  Permissible extension for repetitive pulse
operation
III Area of permissible operation during turn-on
in single transistor converters, provided
R

BE

 

 100 

 and t

p

 

 0.6 

µ

s.

IV Repetitive pulse operation in this region is
permissible provided V

BE

 

 0 V and t

p

 

 5 ms.

Fig. 4  Safe Operating Area of BUT11.

Area IV is only valid for V

BE

 

 0V, so this is an RBSOA

extension to the SOA curve. This is not the full picture for
RBSOA, area IV is only for continuous pulsed operation.
For single cycle and short burst fault conditions see the
separate RBSOA curve.

The RBSOA curve is valid when a negative voltage is
applied to the base-emiiter terminals during turn-off. This
curve should be used for fault condition analysis only;
continuous operation close to the limit will result in 100’s W
of dissipation ! Due to localised current contraction within

the chip at turn-off, damage will occur if the limit is
exceeded. In nearly all cases, the damage will result in the
immediate failure of the device to short circuit.

Emitter switching applications force different mechanisms
for carrier recombination in the device which allow a
‘square’ RBSOA. A typical example is shown in Fig. 5,
where for both base and emitter drive the RBSOA of the
BUT11 is given.

Fig. 5  RBSOA of BUT11 for Base and Emitter Drive.

It is striking that for emitter drive the whole I

C

-V

CES

plane

may be used so no snubber is necessary, however, a small
snubber may prevent overshoot. The base drive RBSOA
normally

depends

on

base

drive

conditions,

but

unfortunately there is no uniform trend in this behaviour.
Therefore, the RBSOA curve in the data gives the worst
case behaviour of the worst case devices. Other data
sheets may give RBSOA curves that at first sight look better
than the Philips equivalent, but beware, these curves might
hold for only a limited base drive range.

Summary

Voltage limiting values / ratings as given in the data must
never be exceeded, as they may lead to immediate device
failure.

Surge voltages, as sometimes given for other

components, are not allowed for high voltage transistors.
Current limiting values / ratings are less strict as they are
time-dependent and should be used in conjunction with the
FBSOA.

Static characteristics are useful for comparisons but offer
little in describing the performance in an application. The
dynamic characteristics may be defined for a simple test
circuit but the values give a good indication of the switching
performance in an application.

RBSOA is, for all switching applications, of prime
importance. Philips give in their data sheets a curve for
worst case devices under worst case conditions.

For

snubber design a value of 1 nF per 100W of throughput

200

400

600

800

1000

Ic (A)

Vce (V)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

base drive

emitter drive

Vcesm

100

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Introduction

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

power is advised as a starter value; afterwards, the I

C

-V

CE

locus must be checked to see if it stays within the published
RBSOA curve.

For characteristics both saturation and switching properties
are given at I

Csat

. Most figures are of limited use as they

give static conditions, where in a practical situation
properties are time-dependent. Switching times are given

in relatively simple circuits that may be replicated rather
easily e.g. for incoming inspection.

Switching times depend strongly on drive conditions. By
altering them a normal device can be turned into a super
device. Beware of specmanship, this may disguise poor
tolerance to variations in base drive.

101

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

CHAPTER 2

Switched Mode Power Supplies

2.1  Using Power Semiconductors in Switched Mode Topologies
(including transistor selection guides)

2.2  Output Rectification

2.3  Design Examples

2.4  Magnetics Design

2.5  Resonant Power Supplies

103

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Using Power Semiconductors in Switched Mode Topologies

105

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

2.1.1  An Introduction to Switched Mode Power Supply

Topologies

For many years the world of power supply design has seen
a gradual movement away from the use of linear power
supplies to the more practical switched mode power supply
(S.M.P.S.). The linear power supply contains a mains
transformer and a dissipative series regulator. This means
the supply has extremely large and heavy 50/60 Hz
transformers, and also very poor power conversion
efficiencies, both serious drawbacks. Typical efficiencies of
30% are standard for a linear. This compares with
efficiencies of between 70 and 80%, currently available
using S.M.P.S. designs.

Furthermore, by employing high switching frequencies, the
sizes of the power transformer and associated filtering
components in the S.M.P.S. are dramatically reduced in
comparison to the linear. For example, an S.M.P.S.
operating at 20kHz produces a 4 times reduction in
component size, and this increases to about 8 times at
100kHz and above. This means an S.M.P.S. design can
produce very compact and lightweight supplies. This is now
an essential requirement for the majority of electronic
systems. The supply must slot into an ever shrinking space
left for it by electronic system designers.

Outline

At the heart of the converter is the high frequency inverter
section, where the input supply is chopped at very high
frequencies (20 to 200kHz using present technologies) then
filtered and smoothed to produce dc outputs. The circuit
configuration which determines

how

the

power is

transferred is called the TOPOLOGY of the S.M.P.S., and
is an extremely important part of the design process. The
topology consists of an arrangement of transformer,
inductors, capacitors and power semiconductors (bipolar
or MOSFET power transistors and power rectifiers).

Presently, there is a very wide choice of topologies
available, each one having its own particular advantages
and disadvantages, making it suitable for specific power
supply

applications.

Basic

operation,

advantages,

drawbacks and most common areas of use for the most
common topologies are discussed in the following sections.
A selection guide to the Philips range of power
semiconductors

(including

bipolars,

MOSFETs

and

rectifiers) suitable for use in S.M.P.S. applications is given
at the end of each section.

(1)  Basic switched mode supply circuit.

An S.M.P.S. can be a fairly complicated circuit, as can be
seen from

the block diagram shown in Fig. 1. (This

configuration assumes a 50/60Hz mains input supply is
used.) The ac supply is first rectified, and then filtered by
the input reservoir capacitor to produce a rough dc input
supply. This level can fluctuate widely due to variations in
the mains. In addition the capacitance on the input has to
be fairly large to hold up the supply in case of a severe
droop in the mains. (The S.M.P.S. can also be configured
to operate from any suitable dc input, in this case the supply
is called a dc to dc converter.)

Fig. 1.  Basic switched mode power supply block diagram.

Power

Transformer

High

Frequency

switch

Output rectification

and filtering

and filtering

dc output

voltage

Vref

PWM

OSC

control
circuitry

T

ac input

supply

duty cycle

control

mosfet or

bipolar

Input rectification

107

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The unregulated dc is fed directly to the central block of the
supply, the high frequency power switching section. Fast
switching power semiconductor devices such as MOSFETs
and Bipolars are driven on and off, and switch the input
voltage across the primary of the power transformer. The
drive pulses are normally fixed frequency (20 to 200kHz)
and variable duty cycle. Hence, a voltage pulse train of
suitable magnitude and duty ratio appears on the
transformer secondaries. This voltage pulse train is
appropriately rectified, and then smoothed by the output
filter, which is either a capacitor or capacitor / inductor
arrangement, depending upon the topology used. This
transfer of power has to be carried out with the lowest losses
possible, to maintain efficiency. Thus, optimum design of
the passive and magnetic components, and selection of the
correct power semiconductors is critical.

Regulation of the output to provide a stabilised dc supply
is carried out by the control / feedback block. Generally,
most S.M.P.S. systems operate on a fixed frequency pulse
width modulation basis, where the duration of the on time
of the drive to the power switch is varied on a cycle by cycle
basis. This compensates for changes in the input supply
and output load. The output voltage is compared to an
accurate reference supply, and the error voltage produced
by the comparator is used by dedicated control logic to
terminate the drive pulse to the main power switch/switches
at the correct instance. Correctly designed, this will provide
a very stable dc output supply.

It is essential that delays in the control loop are kept to a
minimum, otherwise stability problems would occur. Hence,
very high speed components must be selected for the loop.
In transformer-coupled supplies, in order to keep the
isolation barrier intact, some type of electronic isolation is
required in the feedback. This is usually achieved by using
a small pulse transformer or an opto-isolator, hence adding
to the component count.

In most applications, the S.M.P.S. topology contains a
power transformer. This provides isolation, voltage scaling
through the turns ratio, and the ability to provide multiple
outputs. However, there are non-isolated topologies
(without transformers) such as the buck and the boost
converters, where the power processing is achieved by
inductive energy transfer alone. All of the more complex
arrangements are based on these non-isolated types.

(2)  Non-Isolated converters.

The majority of the topologies used in today’s converters
are all derived from the following three non-isolated
versions called the buck, the boost and the buck-boost.
These are the simplest configurations possible, and have
the lowest component count, requiring only one inductor,
capacitor, transistor and diode to generate their single
output. If isolation between the input and output is required,
a transformer must be included before the converter.

(a) The Buck converter.

The forward converter family which includes the push-pull
and bridge types, are all based on the buck converter,
shown in Fig. 2. Its operation is straightforward. When
switch TR1 is turned on, the input voltage is applied to
inductor L1 and power is delivered to the output. Inductor
current also builds up according to Faraday’s law shown
below:-

When the switch is turned off, the voltage across the
inductor reverses and freewheel diode D1 becomes
forward biased. This allows the energy stored in the inductor
to be delivered to the output. This continuous current is then
smoothed by output capacitor Co. Typical buck waveforms
are also shown in Fig. 2.

Fig. 2  Buck Regulator (step-down).

The LC filter has an averaging effect on the applied
pulsating input, producing a smooth dc output voltage and
current, with very small ripple components superimposed.
The average voltage/sec across the inductor over a
complete switching cycle must equal zero in the steady
state. (The same applies to all of the regulators that will be
discussed.)

V

=

L

dI
dt

Vin

Vo

CONTROL

CIRCUIT

Vo

L1

D1

Co

TR1

T = ton + toff

ton

toff

Applied
voltage

v

A

Vin

Vin - Vo

Io

Vo

Vo

Inductor
current

I

L

Inductor

voltage

V

L

TR1

current

Iin

I

D

ton

toff

T

0

0

0

0

t

t

t

t

Continuous mode

108

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Neglecting circuit losses, the average voltage at the input
side of the inductor is V

in

D, while V

o

is the output side

voltage. Thus, in the steady state, for the average voltage
across the inductor to be zero, the basic dc equation of the
buck is simply:-

D is the transistor switch duty cycle, defined as the
conduction time divided by one switching period, usually
expressed in the form shown below:-

Thus, the buck is a stepdown type, where the output voltage
is always lower than the input. (Since D never reaches one.)
Output voltage regulation is provided by varying the duty
cycle of the switch. The LC arrangement provides very
effective filtering of the inductor current. Hence, the buck
and its derivatives all have very low output ripple
characteristics. The buck is normally always operated in
continuous mode ( inductor current never falls to zero)
where peak currents are lower, and the smoothing
capacitor requirements are smaller. There are no major
control problems with the continuous mode buck.

(b) The Boost Converter.

Operation of another fundamental regulator, the boost,
shown in Fig. 3 is more complex than the buck. When the
switch is on, diode D1 is reverse biased, and V

in

is applied

across inductor, L1. Current builds up in the inductor to a
peak value, either from zero current in a discontinuous
mode, or an initial value in the continuous mode. When the
switch turns off, the voltage across L1 reverses, causing
the voltage at the diode to rise above the input voltage. The
diode then conducts the energy stored in the inductor, plus
energy direct from the supply to the smoothing capacitor
and load. Hence, V

o

is always greater than V

in

, making this

a stepup converter. For continuous mode operation, the
boost dc equation is obtained by a similar process as for
the buck, and is given below:-

Again, the output only depends upon the input and duty
cycle. Thus, by controlling the duty cycle, output regulation
is achieved.

From the boost waveforms shown in Fig. 3, it is clear that
the current supplied to the output smoothing capacitor from
the converter is the diode current, which will always be
discontinuous. This means that the output capacitor must
be large, with a low equivalent series resistance (e.s.r) to

produce a relatively acceptable output ripple. This is in
contrast to the buck output capacitor requirements
described earlier. On the other hand, the boost input current
is the continuous inductor current, and this provides low
input ripple characteristics. The boost is very popular for
capacitive load applications such as photo-flashers and
battery chargers. Furthermore, the continuous input current
makes the boost a popular choice as a pre-regulator, placed
before the main converter. The main functions being to
regulate the input supply, and to greatly improve the line
power factor. This requirement has become very important
in recent years, in a concerted effort to improve the power
factor of the mains supplies.

Fig. 3  Boost Regulator (step-up).

If the boost is used in discontinuous mode, the peak
transistor and diode currents will be higher, and the output
capacitor will need to be doubled in size to achieve the
same output ripple as in continuous mode. Furthermore, in
discontinuous operation, the output voltage also becomes
dependent on the load, resulting in poorer load regulation.

Unfortunately, there are major control and regulation
problems with the boost when operated in continuous
mode. The pseudo LC filter effectively causes a complex
second order characteristic in the small signal (control)
response. In the discontinuous mode, the energy in the
inductor at the start of each cycle is zero. This removes the
inductance from the small signal response, leaving only the
output capacitance effect. This produces a much simpler
response, which is far easier to compensate and control.

V

o

V

i

=

D

D

=

t

on

T

;

where

T

=

t

on

+

t

off

Vin

Vo

CONTROL

CIRCUIT

Vo

L1

Co

TR1

D1

Inductor
current

I

L

TR1

current

ton

toff

T

0

0

0

0

t

t

t

t

Vo

I

in

TR1

voltage

V

ce

Diode

current

I

D

Io

CONTINUOUS MODE

V

o

V

i

=

1

1

D

109

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

(c) The Buck-Boost Regulator
(Non-isolated Flyback).

The very popular flyback converter (see section 5(a)) is not
actually derived solely from the boost. The flyback only
delivers stored inductor energy during the switch off-time.
The boost, however, also delivers energy from the input.
The flyback is actually based on a combined topology of
the previous two, called the buck-boost or non isolated
flyback regulator. This topology is shown in Fig. 4.

Fig. 4  Buck-Boost (Flyback) Regulator.

When the switch is on, the diode is reverse biased and the
input is connected across the inductor, which stores energy
as previously explained. At turn-off, the inductor voltage
reverses and the stored energy is then passed to the
capacitor and load through the forward biased rectifier
diode.

The waveforms are similar to the boost except that the
transistor switch now has to support the sum of Vin and Vo
across it. Clearly, both the input and output currents must
be discontinuous. There is also a polarity inversion, the
output voltage generated is negative with respect to the
input. Close inspection reveals that the continuous mode
dc transfer function is as shown below:-

Observation shows that the value of the switch duty ratio,
D can be selected such that the output voltage can either
be higher or lower than the input voltage. This gives the
converter the flexibility to either step up or step down the
supply.

This regulator also suffers from the same continuous mode
control problems as the boost, and discontinuous mode is
usually favoured.

Since both input and output currents are pulsating, low
ripple levels are very difficult to achieve using the
buck-boost. Very large output filter capacitors are needed,
typically up to 8 times that of a buck regulator.
The transistor switch also needs to be able to conduct the
high peak current, as well as supporting the higher summed
voltage. The flyback regulator (buck-boost) topology places
the most stress on the transistor. The rectifier diode also
has to carry high peak currents and so the r.m.s conduction
losses will be higher than those of the buck.

V

o

V

i

=

D

1

D

Vin

CONTROL

CIRCUIT

Vo

L1

D1

Co

TR1

-Vo

Step up / down   Polarity inversion

110

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

(3)  Transformers in S.M.P.S. converters.

The non-isolated versions have very limited use, such as
dc-dc regulators only capable of producing a single output.
The output range is also limited by the input and duty cycle.
The addition of a transformer removes most of these
constraints and provides a converter with the following
advantages:-
1) Input to output isolation is provided. This is normally
always necessary for 220 / 110 V mains applications, where
a degree of safety is provided for the outputs.
2) The transformer turns ratio can be selected to provide
outputs widely different from the input; non-isolated
versions are limited to a range of approximately 5 times.
By selecting the correct turns ratio, the duty cycle of the
converter can also be optimised and the peak currents
flowing minimised. The polarity of each output is also
selectable, dependent upon the polarity of the secondary
w.r.t the primary.
3) Multiple outputs are very easily obtained, simply by
adding more secondary windings to the transformer.
There are some disadvantages with transformers, such as
their additional size, weight and power loss. The generation
of voltage spikes due to leakage inductance may also be a
problem.

The isolated converters to be covered are split into two main
categories,

called

asymmetrical

and

symmetrical

converters, depending upon how the transformer is
operated.

Fig. 5  Comparative core usage of asymmetrical and

symmetrical converters.

In asymmetrical converters the magnetic operating point of
the transformer is always in one quadrant i.e the flux and
the magnetic field never changes sign. The core has to be
reset each cycle to avoid saturation, meaning that only half
of the usable flux is ever exploited. This can be seen in
Fig. 5, which shows the operating mode of each converter.
The flyback and forward converter are both asymmetrical
types. The diagram also indicates that the flyback converter
is operated at a lower permeability (B/H) and lower
inductance than the others. This is because the flyback
transformer actually stores all of the energy before dumping
into the load, hence an air gap is required to store this
energy and avoid core saturation. The air gap has the effect
of reducing the overall permeability of the core. All of the
other converters have true transformer action and ideally
store no energy, hence, no air gap is needed.

In the symmetrical converters which always require an even
number of transistor switches, the full available flux swing
in both quadrants of the B / H loop is used, thus utilising
the core much more effectively. Symmetrical converters
can therefore produce more power than their asymmetrical
cousins. The 3 major symmetrical topologies used in
practice are the push-pull, the half-bridge and the full bridge
types.

Table 1 outlines the typical maximum output power
available

from

each

topology

using

present

day

technologies:-

Converter Topology

Typical max output power

Flyback

200W

Forward

300W

Two transistor forward /

400W

flyback

Push-pull

500W

Half-Bridge

1000W

Full-Bridge

>1000W

Table 1. Converter output power range.

Many other topologies exist, but the types outlined in Table
1 are by far the most commonly used in present S.M.P.S.
designs. Each is now looked at in more detail, with a
selection guide for the most suitable Philips power
semiconductors included.

B

H

Bs

2Bs

flyback
converter

forward

converter

symmetrical

converters

asymmetrical
converters

symmetrical
converters

available
flux swing

111

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

(4)  Selection of the power
semiconductors.

The Power Transistor.

The two most common power semiconductors used in the
S.M.P.S. are the Bipolar transistor and the power MOSFET.
The Bipolar transistor is normally limited to use at
frequencies up to 30kHz, due to switching loss. However,
it has very low on-state losses and is a relatively cheap
device, making it the most suitable for lower frequency
applications. The MOSFET is selected for higher frequency
operation because of its very fast switching speeds,
resulting in low (frequency dependent) switching losses.
The driving of the MOSFET is also far simpler and less
expensive than that required for the Bipolar. However, the
on-state losses of the MOSFET are far higher than the
Bipolar, and they are also usually more expensive. The
selection of which particular device to use is normally a
compromise between the cost, and the performance
required.

(i) Voltage limiting value:-

After deciding upon whether to use a Bipolar or MOSFET,
the next step in deciding upon a suitable type is by the
correct selection of the transistor voltage. For transformer
coupled topologies, the maximum voltage developed
across the device is normally at turn-off. This will be either
half, full or double the magnitude of the input supply voltage,
dependent upon the topology used. There may also be a
significant voltage spike due to transformer leakage
inductance that must be included. The transistor must
safely withstand these worst case values without breaking
down. Hence, for a bipolar device, a suitably high V

ces(max)

must be selected, and for a MOSFET, a suitably high
V

BR(DSS)

. At present 1750V is the maximum blocking voltage

available for power Bipolars, and a maximum of 1000V for
power MOSFETs.

The selection guides assume that a rectified 220V or 110V
mains input is used. The maximum dc link voltages that will
be produced for these conditions are 385V and 190V
respectively. These values are the input voltage levels used
to select the correct device voltage rating.

(ii) Current limiting value:-

The Bipolar device has a very low voltage drop across it
during conduction, which is relatively constant within the
rated current range. Hence, for maximum utilisation of a
bipolar transistor, it should be run close to its I

Csat

value.

This gives a good compromise between cost, drive
requirements and switching. The maximum current for a
particular throughput power is calculated for each topology

using simple equations. These equations are listed in the
appropriate sections, and the levels obtained used to select
a suitable Bipolar device.

The MOSFET device operates differently from the bipolar
in that the voltage developed across it (hence, transistor
dissipation) is dependent upon the current flowing and the
device "on-resistance" which is variable with temperature.
Hence, the optimum MOSFET for a given converter can
only be chosen on the basis that the device must not exceed
a certain percentage of throughput (output) power. (In this
selection a 5% loss in the MOSFET was assumed). A set
of equations used to estimate the correct MOSFET R

DS(on)

value for a particular power level has been derived for each
topology. These equations are included in Appendix A at
the end of the paper. The value of RDS(on) obtained was
then used to select a suitable MOSFET device for each
requirement.

NOTE! This method assumes negligible switching losses
in the MOSFET. However for frequencies above 50kHz,
switching losses become increasingly significant.

Rectifiers

Two types of output rectifier are specified from the Philips
range. For very low output voltages below 10V it is
necessary to have an extremely low rectifier forward voltage
drop, V

F

, in order to keep converter efficiency high. Schottky

types are specified here, since they have very low V

F

values

(typically 0.5V). The Schottky also has negligible switching
losses and can be used at very high frequencies.
Unfortunately, the very low V

F

of the Schottky is lost at higher

reverse blocking voltages (typically above 100V ) and other
diode types become more suitable. This means that the
Schottky is normally reserved for use on outputs up to 20V
or so.

Note. A suitable guideline in selecting the correct rectifier
reverse voltage is to ensure the device will block 4 to 6 times
the output voltage it is used to provide (depends on topology
and whether rugged devices are being used).

For higher voltage outputs the most suitable rectifier is the
fast recovery epitaxial diode (FRED). This device has been
optimised for use in high frequency rectification. Its
characteristics include low V

F

(approx. 1V) with very fast

and efficient switching characteristics. The FRED has
reverse voltage blocking capabilities up to 800V. They are
therefore suitable for use in outputs from 10 to 200V.

The rectifier devices specified in each selection guide were
chosen as having the correct voltage limiting value and high
enough current handling capability for the particular output
power specified. (A single output is assumed).

112

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

(5)  Standard isolated topologies.

(a) The Flyback converter.

Operation

Of all the isolated converters, by far the simplest is the
single-ended flyback converter shown in Fig. 6. The use of
a single transistor switch means that the transformer can
only be driven unipolar (asymmetrical). This results in a
large core size. The flyback, which is an isolated version of
the buck-boost, does not in truth contain a transformer but
a coupled inductor arrangement. When the transistor is
turned on, current builds up in the primary and energy is
stored in the core, this energy is then released to the output
circuit through the secondary when the switch is turned off.
(A normal transformer such as the types used in the buck
derived topologies couples the energy directly during
transistor on-time, ideally storing no energy).

Fig. 6  Flyback converter circuit and waveforms.

The polarity of the windings is such that the output diode
blocks during the transistor on time. When the transistor
turns off, the secondary voltage reverses, maintaining a
constant flux in the core and forcing secondary current to
flow through the diode to the output load. The magnitude

of the peak secondary current is the peak primary current
reached at transistor turn-off reflected through the turns
ratio, thus maintaining a constant Ampere-turn balance.

The fact that all of the output power of the flyback has to
be stored in the core as 1/2LI

2

energy means that the core

size and cost will be much greater than in the other
topologies, where only the core excitation (magnetisation)
energy, which is normally small, is stored. This, in addition
to the initial poor unipolar core utilisation, means that the
transformer bulk is one of the major drawbacks of the
flyback converter.

In order to obtain sufficiently high stored energy, the flyback
primary inductance has to be significantly lower than
required for a true transformer, since high peak currents
are needed. This is normally achieved by gapping the core.
The gap reduces the inductance, and most of the high peak
energy is then stored in the gap, thus avoiding transformer
saturation.

When the transistor turns off, the output voltage is back
reflected through the transformer to the primary and in many
cases this can be nearly as high as the supply voltage.
There is also a voltage spike at turn-off due to the stored
energy in the transformer leakage inductance. This means
that

the

transistor

must

be

capable

of

blocking

approximately twice the supply voltage plus the leakage
spike. Hence, for a 220V ac application where the dc link
can be up to 385V, the transistor voltage limiting value must
lie between 800 and 1000V.

Using a 1000V Bipolar transistor such as the BUT11A or
BUW13A allows a switching frequency of 30kHz to be used
at output powers up to 200Watts.

MOSFETs with 800V and 1000V limiting values can also
be used, such as the BUK456-800A which can supply 100W
at switching frequencies anywhere up to 300kHz. Although
the MOSFET can be switched much faster and has lower
switching losses , it does suffer from significant on-state
losses, especially in the higher voltage devices when
compared to the bipolars. An outline of suitable transistors
and output rectifiers for different input and power levels
using the flyback is given in Table 2.

One way of removing the transformer leakage voltage spike
is to add a clamp winding as shown in Fig. 8. This allows
the leakage energy to be returned to the input instead of
stressing the transistor. The diode is always placed at the
high voltage end so that the clamp winding capacitance
does not interfere with the transistor turn-on current spike,
which would happen if the diode was connected to ground.
This clamp is optional and depends on the designer’s
particular requirements.

T1

n:1

Vo

Co

D1

Vin

TR1

I

P

I

sw

Primary

current

sec

current

I

I

D

S

Ip = Vin.ton/Lp

Isec = Idiode

Switch

voltage

Vce

or

Vds

ton

toff

Vin

leakage

inductance

spike

T

t

t

t

0

0

0

(discontinuous)

Discontinuous

Vin + Vo n1

n2

113

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Advantages.

The action of the flyback means that the secondary
inductance is in series with the output diode when current
is delivered to the load; i.e driven from a current source.
This means that no filter inductor is needed in the output
circuit. Hence, each output requires only one diode and
output filter capacitor. This means the flyback is the ideal
choice for generating low cost, multiple output supplies. The
cross regulation obtained using multiple outputs is also very
good (load changes on one output have little effect on the
others) because of the absence of the output choke, which
degrades this dynamic performance.

The flyback is also ideally suited for generating high voltage
outputs. If a buck type LC filter was used to generate a high
voltage, a very large inductance value would be needed to
reduce the ripple current levels sufficiently to achieve the
continuous mode operation required. This restriction does
not apply to the flyback, since it does not require an output
inductance for successful operation.

Disadvantages.

From the flyback waveforms in Fig. 6 it is clear that the
output capacitor is only supplied during the transistor off
time. This means that the capacitor has to smooth a
pulsating output current which has higher peak values than
the continuous output current that would be produced in a
forward converter, for example. In order to achieve low
output ripple, very large output capacitors are needed, with
very low equivalent series resistance (e.s.r). It can be
shown that at the same frequency, an LC filter is
approximately 8 times more effective at ripple reduction
than a capacitor alone. Hence, flybacks have inherently
much higher output ripples than other topologies. This,
together with the higher peak currents, large capacitors and
transformers, limits the flyback to lower output power
applications in the 20 to 200W range. (It should be noted
that at higher voltages, the required output voltage ripple
magnitudes are not normally as stringent, and this means
that the e.s.r requirement and hence capacitor size will not
be as large as expected.)

Two transistor flyback.

One possible solution to the 1000V transistor requirement
is the two transistor flyback version shown in Fig. 7. Both
transistors are switched simultaneously, and all waveforms
are exactly the same, except that the voltage across each
transistor never exceeds the input voltage. The clamp
winding is now redundant, since the two clamp diodes act
to return leakage energy to the input. Two 400 or 500V
devices can now be selected, which will have faster
switching and lower conduction losses. The output power
and switching frequencies can thus be significantly
increased. The drawbacks of the two transistor version are
the extra cost and more complex isolated base drive
needed for the top floating transistor.

Fig. 7  Two transistor Flyback.

Continuous Vs Discontinuous operation.

As with the buck-boost, the flyback can operate in both
continuous and discontinuous modes. The waveforms in
Fig. 6

show

discontinuous

mode

operation.

In

discontinuous mode, the secondary current falls to zero in
each switching period, and all of the energy is removed
from the transformer. In continuous mode there is current
flowing in the coupled inductor at all times, resulting in
trapezoidal current waveforms.
The main plus of continuous mode is that the peak currents
flowing are only half that of the discontinuous for the same
output power, hence, lower output ripple is possible.
However, the core size is about 2 to 4 times larger in
continuous mode to achieve the increased inductance
needed to reduce the peak currents to achieve continuity.

A further disadvantage of continuous mode is that the
closed loop is far more difficult to control than the
discontinuous mode flyback. (Continuous mode contains a
right hand plane zero in its open loop frequency response,
the discontinuous flyback does not. See Ref[2] for further
explanation.) This means that much more time and effort
is required for continuous mode to design the much more
complicated compensation components needed to achieve
stability.

There is negligible turn-on dissipation in the transistor in
discontinuous mode, whereas this dissipation can be fairly
high in continuous mode, especially when the additional
effects of the output diode reverse recovery current, which
only occurs in the continuous case, is included. This
normally means that a snubber must be added to protect
the transistor against switch-on stresses.

One advantage of the continuous mode is that its open loop
gain is independent of the output load i.e V

o

only depends

upon D and V

in

as shown in the dc gain equation at the end

of the section. Continuous mode has excellent open loop
load regulation, i.e varying the output load will not affect V

o

.

Discontinuous mode, on the other-hand, does have a
dependency on the output, expressed as R

L

in the dc gain

equation. Hence, discontinuous mode has a much poorer

Vo

Vin

T1

Co

n : 1

TR1

D1

TR2

isolated

base
drive

114

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

open loop load regulation, i.e changing the output will affect
V

o

. This problem disappears, however, when the control

loop is closed, and the load regulation problem is usually
completely overcome.

The use of current mode control with discontinuous flyback
(where both the primary current and output voltage are
sensed and combined to control the duty cycle) produces

a much improved overall loop regulation, requiring less
closed loop gain.

Although

the

discontinuous

mode

has

the

major

disadvantage of very high peak currents and a large output
capacitor requirement, it is much easier to implement, and
is by far the more common of the two methods used in
present day designs.

Output power

50W

100W

200W

Line voltage, Vin

110V ac

220V ac

110V ac

220V ac

110V ac

220V ac

Transistor requirements

Max current

2.25A

1.2A

4A

2.5A

8A

4.4A

Max voltage

400V

800V

400V

800V

400V

800V

Bipolar transistors.

TO-220

BUT11

BUX85

BUT12

BUT11A

---

BUT12A

Isolated SOT-186

BUT11F

BUX85F

BUT12F

BUT11AF

---

BUT12AF

SOT-93

---

---

---

---

BUW13

---

Isolated SOT-199

---

---

---

---

BUW13F

---

Power MOSFET

TO-220

BUK454-400B

BUK454-800A

BUK455-400B

BUK456-800A

---

---

Isolated SOT-186

BUK444-400B

BUK444-800A

BUK445-400B

BUK446-800A

---

---

SOT-93

---

---

---

---

BUK437-400B

BUK438-800A

Output Rectifiers

O/P voltage

5V

PBYR1635

PBYR2535CT

---

10V

PBYR10100

PBYR20100CT

PBYR30100PT

BYW29E-100/150/200

BYV79E-100/150/200

BYV42E-100/150/200
BYV72E-100/150/200

20V

PBYR10100

PBYR10100

PBYR20100CT

BYW29E-100/150/200

BYW29E-100/150/200

BYV32E-100/150/200

50V

BYV29-300

BYV29-300

BYV29-300

100V

BYV29-500

BYV29-500

BYV29-500

Table 2. Recommended Power Semiconductors for single-ended flyback.

Note! The above values are for discontinuous mode. In continuous mode the peak transistor currents are approximately
halved and the output power available is thus increased.

Flyback

Converter efficiency, 

η

 = 80%;  Max duty cycle, D

max

 = 0.45

Max transistor voltage, V

ce 

or V

ds 

= 2V

in(max)

 + leakage spike

dc voltage gain:- (a) continuous  

(b) Discontinuous  

Applications:-    Lowest cost, multiple output supplies in the 20 to 200W range. E.g. mains input T.V. supplies, small

computer supplies, E.H.T. supplies.

Max transistorcurrent

,

I

C

;

I

D

=

2

P

out

η

D

max

V

min

Vo

Vin

=

n

D

1

D

Vo

Vin

=

D

√

R

L

T

2

L

P

115

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

(b) The Forward converter.

Operation.

The forward converter is also a single switch isolated
topology, and is shown in Fig. 8. This is based on the buck
converter described earlier, with the addition of a
transformer and another diode in the output circuit. The
characteristic LC output filter is clearly present.

In contrast to the flyback, the forward converter has a true
transformer action, where energy is transferred directly to
the output through the inductor during the transistor
on-time. It can be seen that the polarity of the secondary
winding is opposite to that of the flyback, hence allowing
direct current flow through blocking diode D1. During the
on-time, the current flowing causes energy to be built up in
the output inductor L1. When the transistor turns off, the
secondary voltage reverses, D1 goes from conducting to
blocking mode and the freewheel diode D2 then becomes
forward biased and provides a path for the inductor current
to continue to flow. This allows the energy stored in L1 to
be released into the load during the transistor off time.

The forward converter is always operated in continuous
mode (in this case the output inductor current), since this
produces very low peak input and output currents and small
ripple components. Going into discontinuous mode would
greatly increase these values, as well as increasing the
amount of switching noise generated. No destabilising right
hand plane zero occurs in the frequency response of the
forward in continuous mode (as with the buck). See Ref[2].
This means that the control problems that existed with the
continuous flyback are not present here. So there are no
real advantages to be gained by using discontinuous mode
operation for the forward converter.

Advantages.

As can be seen from the waveforms in Fig. 8, the inductor
current I

L

, which is also the output current, is always

continuous. The magnitude of the ripple component, and
hence the peak secondary current, depends upon the size
of the output inductor. Therefore, the ripple can be made
relatively small compared to the output current, with the
peak current minimised. This low ripple, continuous output
current is very easy to smooth, and so the requirements for
the output capacitor size, e.s.r and peak current handling
are far smaller than they are for the flyback.

Since the transformer in this topology transfers energy
directly there is negligible stored energy in the core
compared to the flyback. However, there is a small
magnetisation energy required to excite the core, allowing
it to become an energy transfer medium. This energy is
very small and only a very small primary magnetisation
current is needed. This means that a high primary

inductance is usually suitable, with no need for the core air
gap required in the flyback. Standard un-gapped ferrite
cores with high permeabilities (2000-3000) are ideal for
providing the high inductance required. Negligible energy
storage means that the forward converter transformer is
considerably smaller than the flyback, and core loss is also
much smaller for the same throughput power. However, the
transformer is still operated asymmetrically, which means
that power is only transferred during the switch on-time,
and this poor utilisation means the transformer is still far
bigger than in the symmetrical types.

The transistors have the same voltage rating as the
discontinuous flyback (see disadvantages), but the peak
current required for the same output power is halved, and
this can be seen in the equations given for the forward
converter. This, coupled with the smaller transformer and
output filter capacitor requirements means that the forward
converter is suitable for use at higher output powers than
the flyback can attain, and is normally designed to operate
in the 100 to 400W range. Suitable bipolars and MOSFETs
for the forward converter are listed in Table 3.

Fig. 8  The Forward converter and waveforms.

CONTROL

CIRCUIT

Vo

Vo

Vin

T1

D1

Co

n : 1

TR1

D2

L1

D3

Clamp

winding

necessary

Io

Inductor

current

I

L

TR1

current

ton

toff

T

0

0

0

t

t

t

t

Diode
currents

Id1

Id2

Ip

output

TR1

voltage

Vce

Vin

2Vin

t

Imag

0

0

Id3

Is

116

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Disadvantages.

Because of the unipolar switching action of the forward
converter, there is a major problem in how to remove the
core magnetisation energy by the end of each switching
cycle. If this did not happen, there would be a net dc flux
build-up, leading to core saturation, and possible transistor
destruction. This magnetisation energy is removed
automatically by the push-pull action of the symmetrical
types. In the flyback this energy is dumped into the load at
transistor turn-off. However, there is no such path in the
forward circuit.

This path is provided by adding an additional reset winding
of opposite polarity to the primary. A clamp diode is added,
such that the magnetisation energy is returned to the input
supply during the transistor off time. The reset winding is
wound bifilar with the primary to ensure good coupling, and
is normally made to have the same number of turns as the
primary. (The reset winding wire gauge can be very small,
since it only has to conduct the small magnetisation
current.) The time for the magnetisation energy to fall to
zero is thus the same duration as the transistor on-time.
This means that the maximum theoretical duty ratio of the
forward converter is 0.5 and after taking into account
switching delays, this falls to 0.45. This limited control range
is one of the drawbacks of using the forward converter. The
waveform of the magnetisation current is also shown in
Fig. 8. The clamp winding in the flyback is optional, but is
always needed in the forward for correct operation.

Due to the presence of the reset winding, in order to
maintain volt-sec balance within the transformer, the input
voltage is back reflected to the primary from the clamp
winding at transistor turn-off for the duration of the flow of
the magnetisation reset current through D3. (There is also
a voltage reversal across the secondary winding, and this
is why diode D1 is added to block this voltage from the
output circuit.) This means that the transistor must block
two times Vin during switch-off. The voltage returns to Vin
after reset has finished, which means transistor turn-on
losses will be smaller. The transistors must have the same
added burden of the voltage rating of the flyback, i.e 400V
for 110V mains and 800V for 220V mains applications.

Output diode selection.

The diodes in the output circuit both have to conduct the
full magnitude of the output current. They are also subject
to abrupt changes in current, causing a reverse recovery
spike, particularly in the freewheel diode, D2. This spike
can cause additional turn-on switching loss in the transistor,
possibly causing device failure in the absence of snubbing.
Thus, very high efficiency, fast trr diodes are required to
minimise conduction losses and to reduce the reverse
recovery spike. These requirements are met with Schottky
diodes for outputs up to 20V, and fast recovery epitaxial
diodes for higher voltage outputs. It is not normal for forward
converter outputs to exceed 100V because of the need for

a very large output choke, and flybacks are normally used.
Usually, both rectifiers are included in a single package i.e
a dual centre-tap arrangement. The Philips range of
Schottkies and FREDs which meet these requirements are
also included in Table 3.

Two transistor forward.

In order to avoid the use of higher voltage transistors, the
two transistor version of the forward can be used. This
circuit, shown in Fig. 9, is very similar to the two transistor
flyback and has the same advantages. The voltage across
the transistor is again clamped to V

in

, allowing the use of

faster more efficient 400 or 500V devices for 220V mains
applications. The magnetisation reset is achieved through
the two clamp diodes, permitting the removal of the clamp
winding.

Fig. 9  Two transistor Forward.

The

two

transistor

version

is

popular

for

off-line

applications. It provides higher output powers and faster
switching frequencies. The disadvantages are again the
extra cost of the higher component count, and the need for
an isolated drive for the top transistor.

Although this converter has some drawbacks, and utilises
the transformer poorly, it is a very popular selection for the
power range mentioned above, and offers simple drive for
the single switch and cheap component costs. Multiple
output types are very common. The output inductors are
normally wound on a single core, which has the effect of
improving dynamic cross regulation, and if designed
correctly also reduces the output ripple magnitudes even
further. The major advantage of the forward converter is
the very low output ripple that can be achieved for relatively
small sized LC components. This means that forward
converters are normally used to generate lower voltage,
high current multiple outputs such as 5, 12, 15, 28V from
mains

off-line

applications,

where

lower

ripple

specifications are normally specified for the outputs. The
high peak currents that would occur if a flyback was used
would place an impossible burden on the smoothing
capacitor.

Vo

Vin

T1

Co

n : 1

TR1

D1

TR2

isolated

base
drive

D2

L1

117

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Output power

100W

200W

300W

Line voltage, Vin

110V ac

220V ac

110V ac

220V ac

110V ac

220V ac

Transistor requirements

Max current

2.25A

1.2A

4A

2.5A

6A

3.3A

Max voltage

400V

800V

400V

800V

400V

800V

Bipolar transistors.

TO-220

BUT11

BUX85

BUT12

BUT11A

---

BUT12A

Isolated SOT-186

BUT11F

BUX85F

BUT12F

BUT11AF

---

BUT12AF

SOT-93

---

---

---

---

BUW13

---

Isolated SOT-199

---

---

---

---

BUW13F

---

Power MOSFET

TO-220

BUK454-400B

BUK454-800A

BUK455-400B

BUK456-800A

---

---

Isolated SOT-186

BUK444-400B

BUK444-800A

BUK445-400B

BUK446-800A

---

---

SOT-93

---

---

---

---

BUK437-400B

BUK438-800A

Output Rectifiers (dual)

O/P voltage

5V

PBYR2535CT

---

---

10V

PBYR20100CT

PBYR30100PT

PBYR30100PT

BYV32E-100/150/200

BYV42E-100/150/200

BYV72E-100/150/200

BYV72E100/150/200

20V

PBYR20100CT

PBYR20100CT

PBYR20100CT

BYQ28E-100/150/200

BYV32E-100/150/200

BYV32E-100/150/200

50V

BYT28-300

BYT28-300

BYT28-300

Table 3. Recommended Power Semiconductors for single-ended forward.

Forward

Converter efficiency, 

η

 = 80%;  Max duty cycle, D

max

 = 0.45

Max transistor voltage, V

ce 

or V

ds 

= 2V

in(max)

dc voltage gain:-   

Applications:-    Low cost, low output ripple, multiple output supplies in the 50 to 400W range. E.g. small computer

supplies, DC/DC converters.

Max transistorcurrent

,

I

C

;

I

D

=

P

out

η

D

max

V

min

Vo

Vin

=

n

D

118

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

(c) The Push-pull converter.

Operation.

To utilise the transformer flux swing fully, it is necessary to
operate the core symmetrically as described earlier. This
permits much smaller transformer sizes and provides
higher output powers than possible with the single ended
types. The symmetrical types always require an even
number of transistor switches. One of the best known of the
symmetrical types is the push-pull converter shown in
Fig. 10.

The primary is a centre-tapped arrangement and each
transistor

switch

is

driven

alternately,

driving

the

transformer in both directions. The push-pull transformer is
typically half the size of that for the single ended types,
resulting in a more compact design. This push-pull action
produces natural core resetting during each half cycle,
hence no clamp winding is required. Power is transferred
to the buck type output circuit during each transistor
conduction period. The duty ratio of each switch is usually
less than 0.45. This provides enough dead time to avoid
transistor cross conduction. The power can now be
transferred to the output for up to 90% of the switching
period, hence allowing greater throughput power than with
the single-ended types. The push-pull configuration is
normally used for output powers in the 100 to 500W range.

Fig. 10  Push-pull converter.

The bipolar switching action also means that the output
circuit is actually operated at twice the switching frequency
of the power transistors, as can be seen from the waveforms
in Fig. 11. Therefore, the output inductor and capacitor can
be even smaller for similar output ripple levels. Push-pull
converters are thus excellent for high power density, low
ripple outputs.

Advantages.

As stated, the push-pull offers very compact design of the
transformer and output filter, while producing very low
output ripple. So if space is a premium issue, the push-pull
could be suitable. The control of the push-pull is similar to
the forward, in that it is again based on the continuous mode

buck.

When

closing

the

feedback

control

loop,

compensation is relatively easy. For multiple outputs, the
same recommendations given for the forward converter
apply.

Clamp diodes are fitted across the transistors, as shown.
This allows leakage and magnetisation energy to be simply
channelled back to the supply, reducing stress on the
switches and slightly improving efficiency.

The emitter or source of the power transistors are both at
the same potential in the push-pull configuration, and are
normally referenced to ground. This means that simple
base drive can be used for both, and no costly isolating
drive transformer is required. (This is not so for the bridge
types which are discussed latter.)

Disadvantages.

One of the main drawbacks of the push-pull converter is
the fact that each transistor must block twice the input
voltage due to the doubling effect of the centre-tapped
primary, even though two transistors are used. This occurs
when one transistor is off and the other is conducting. When
both are off, each then blocks the supply voltage, this is
shown in the waveforms in Fig. 11. This means that TWO
expensive, less efficient 800 to 1000V transistors would be
required for a 220V off-line application. A selection of
transistors and rectifiers suitable for the push-pull used in
off-line applications is given in Table 4.

A further major problem with the push-pull is that it is prone
to flux symmetry imbalance. If the flux swing in each half
cycle is not exactly symmetrical, the volt-sec will not
balance and this will result in transformer saturation,
particularly for high input voltages. Symmetry imbalance
can be caused by different characteristics in the two
transistors such as storage time in a bipolar and different
on-state losses.

The centre-tap arrangement also means that extra copper
is needed for the primary, and very good coupling between
the two halves is necessary to minimise possible leakage
spikes. It should also be noted that if snubbers are used to
protect the transistors, the design must be very precise
since each tends to interact with the other. This is true for
all symmetrically driven converters.

These disadvantages usually dictate that the push-pull is
normally operated at lower voltage inputs such as 12, 28
or 48V. DC-DC converters found in the automotive and
telecommunication industries are often push-pull designs.
At these voltage levels, transformer saturation is easier to
avoid.

Since the push-pull is commonly operated with low dc
voltages, a selection guide for suitable power MOSFETs is
also included for 48 and 96V applications, seen in Table 5.

Vo

T1

D1

Co

n : 1

TR1

D2

L1

TR2

Vin

119

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Current mode control.

The introduction of current mode control circuits has also
benefited the push-pull type. In this type of control, the
primary current is monitored, and any imbalance which
occurs is corrected on a cycle by cycle basis by varying the
duty cycle immediately. Current mode control completely

removes the symmetry imbalance problem, and the
possibilities of saturation are minimised. This has meant
that push-pull designs have become more popular in recent
years, with some designers even using them in off-line
applications.

Fig. 11  Push Pull waveforms.

Transistor

I

TR1

I

TR2

TR1

voltage

TR2
voltage

D1

current

D2

current

output

inductor

current

I

L

0

0

0

0

0

0

t

t

t

t

t

t

ton

ton

1

2

T

Vin

2Vin

2Vin

Vin

currents

120

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Output power

100W

300W

500W

Line voltage, Vin

110V ac

220V ac

110V ac

220V ac

110V ac

220V ac

Transistor requirements

Max current

1.2A

0.6A

4.8A

3.0A

5.8A

3.1A

Max voltage

400V

800V

400V

800V

400V

800V

Bipolar transistors.

TO-220

BUT11

BUX85

BUT12

BUT11A

---

BUT12A

Isolated SOT-186

BUT11F

BUX85F

BUT12F

BUT11AF

---

BUT12AF

SOT-93

---

---

---

---

BUW13

---

Isolated SOT-199

---

---

---

---

BUW13F

---

Power MOSFET

TO-220

BUK454-400B

BUK454-800A

BUK455-400B

BUK456-800A

---

---

Isolated SOT-186

BUK444-400B

BUK444-800A

BUK445-400B

BUK446-800A

---

---

SOT-93

---

---

---

---

BUK437-400B

BUK438-800A

Output Rectifiers (dual)

O/P voltage

5V

PBYR2535CT

---

---

10V

PBYR20100CT

PBYR30100PT

---

BYV32E-100/150/200

BYV72E-100/150/200

BYT230PI-200

20V

PBYR20100CT

PBYR20100CT

PBYR30100PT

BYQ28E-100/150/200

BYV32E-100/150/200

BYV42E-100/150/200
BYV72E-100/150/200

50V

BYT28-300

BYT28-300

BYV34-300

Table 4. Recommended Power Semiconductors for off-line Push-pull converter.

Output power

100W

200W

300W

Line voltage, Vin

96V dc

48V dc

96V dc

48V dc

96V dc

48V dc

Power MOSFET

TO-220

BUK455-400B

BUK454-200A

BUK457-400B

BUK456-200B

---

---

Isolated SOT-186

BUK445-400B

BUK444-200A

BUK437-400B

BUK436-200B

---

---

SOT-93

---

---

---

---

BUK437-400B

---

Table 5. Recommended power MOSFETs for lower input voltage push-pull.

Push-Pull converter.

Converter efficiency, 

η

 = 80%;  Max duty cycle, D

max

 = 0.9

Max transistor voltage, V

ce 

or V

ds 

= 2V

in(max)

 + leakage spike.

dc voltage gain:-   

Applications:-    Compact design, very low output ripple supplies in the 100 to 500W range. More suited to low input

applications. E.g. battery, 28, 40V inputs, high current outputs. Telecommunication supplies.

Max transistorcurrent

,

I

C

;

I

D

=

P

out

η

D

max

V

min

Vo

Vin

=

2

n

D

121

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

(d) The Half-Bridge.

Of all the symmetrical high power converters, the
half-bridge converter shown in Fig. 12 is the most popular.
It is also referred to as the single ended push-pull, and in
principle is a balanced version of the forward converter.
Again it is a derivative of the buck. The Half-Bridge has
some key advantages over the push-pull, which usually
makes it first choice for higher power applications in the
500 to 1000W range.

Operation.

The two mains bulk capacitors C1 and C2 are connected
in series, and an artificial input voltage mid-point is
provided, shown as point A in the diagram. The two
transistor switches are driven alternately, and this connects
each capacitor across the single primary winding each half
cycle. V

in

/2 is superimposed symmetrically across the

primary in a push-pull manner. Power is transferred directly
to the output on each transistor conduction time and a
maximum duty cycle of 90% is available (Some dead time
is required to prevent transistor cross-conduction.) Since
the primary is driven in both directions, (natural reset) a full
wave buck output filter (operating at twice the switching
frequency) rather than a half wave filter is implemented.
This again results in very efficient core utilisation. As can
be seen in Fig. 13, the waveforms are identical to the
push-pull, except that the voltage across the transistors is
halved. (The device current would be higher for the same
output power.)

Fig. 12  Half-Bridge converter.

Advantages.

Since both transistors are effectively in series, they never
see greater than the supply voltage, V

in

. When both are off,

their voltages reach an equilibrium point of V

in

/2. This is half

the voltage rating of the push-pull (although double the

current). This means that the half-bridge is particularly
suited to high voltage inputs, such as off-line applications.
For example, a 220V mains application can use two higher
speed, higher efficiency 450V transistors instead of the
800V types needed for a push-pull. This allows higher
frequency operation.

Another major advantage over the push-pull is that the
transformer saturation problems due to flux symmetry
imbalance are not a problem. By using a small capacitor
(less than 10

µ

F) any dc build-up of flux in the transformer

is blocked, and only symmetrical ac is drawn from the input.

The configuration of the half-bridge allows clamp diodes to
be added across the transistors, shown as D3 and D4 in
Fig. 12. The leakage inductance and magnetisation
energies are dumped straight back into the two input
capacitors, protecting the transistors from dangerous
transients and improving overall efficiency.

A less obvious exclusive advantage of the half-bridge is
that the two series reservoir capacitors already exist, and
this makes it ideal for implementing a voltage doubling
circuit. This permits the use of either 110V /220V mains as
selectable inputs to the supply.

The bridge circuits also have the same advantages over
the single-ended types that the push-pull possesses,
including excellent transformer utilisation, very low output
ripple, and high output power capabilities. The limiting factor
in the maximum output power available from the half-bridge
is the peak current handling capabilities of present day
transistors. 1000W is typically the upper power limit. For
higher output powers the four switch full bridge is normally
used.

Disadvantages.

The need for two 50/60 Hz input capacitors is a drawback
because of their large size. The top transistor must also
have isolated drive, since the gate / base is at a floating
potential. Furthermore, if snubbers are used across the
power transistors, great care must be taken in their design,
since the symmetrical action means that they will interact
with one another. The circuit cost and complexity have
clearly increased, and this must be weighed up against the
advantages gained. In many cases, this normally excludes
the use of the half-bridge at output power levels below
500W.

Suitable transistors and rectifiers for the half-bridge are
given in Table 6.

Vo

T1

D1

Co

n : 1

TR1

D2

L1

TR2

Vin

isolated

drive

needed

D3

D4

C1

C2

C3

A

122

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 13  Half-Bridge waveforms.

Transistor

I

TR1

I

TR2

TR1

voltage

TR2
voltage

D1

current

D2

current

output

inductor

current

I

L

0

0

0

0

0

0

t

t

t

t

t

t

ton

ton

1

2

T

currents

Vin

2

Vin

2

Vin

Vin

123

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Output power

300W

500W

750W

Line voltage, Vin

110V ac

220V ac

110V ac

220V ac

110V ac

220V ac

Transistor requirements

Max current

4.9A

2.66A

11.7A

6.25A

17.5A

9.4A

Max voltage

250V

450V

250V

450V

250V

450V

Bipolar transistors.

TO-220

BUT12

BUT11

---

---

---

---

Isolated SOT-186

BUT12F

BUT11F

---

---

---

---

SOT-93

---

---

BUW13

BUW13

---

BUW13

Isolated SOT-199

---

---

BUW13F

BUW13F

---

BUW13F

Power MOSFET

SOT-93

---

BUK437-500B

---

---

---

---

Output Rectifiers (dual)

O/P voltage

5V

---

---

---

10V

PBYR30100PT

---

---

BYV72E-100/150/200

20V

PBYR20100CT

PBYR30100PT

---

BYV32E-100/150/200

BYV42E-100/150/200
BYV72E-100/150/200

50V

BYT28-300

BYV34-300

BYV34-300

Table 6. Recommended Power Semiconductors for off-line Half-Bridge converter.

Half-Bridge converter.

Converter efficiency, 

η

 = 80%;  Max duty cycle, D

max

 = 0.9

Max transistor voltage, V

ce 

or V

ds 

= V

in(max)

 + leakage spike.

dc voltage gain:-   

Applications:-    High power, up to 1000W. High current, very low output ripple outputs.   Well suited for high input

voltage applications. E.g. 110, 220, 440V mains. E.g. Large computer supplies, Lab equipment supplies.

Max transistorcurrent

,

I

C

;

I

D

=

2

P

out

η

D

max

V

min

Vo

Vin

=

n

D

124

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

(e) The Full-Bridge.

Outline.

The Full-Bridge converter shown in Fig. 14 is a higher
power version of the Half-Bridge, and provides the highest
output power level of any of the converters discussed. The
maximum current ratings of the power transistors will
eventually determine the upper limit of the output power of
the half-bridge. These levels can be doubled by using the
Full-Bridge, which is obtained by adding another two
transistors

and

clamp

diodes

to

the

Half-Bridge

arrangement. The transistors are driven alternately in pairs,
T1 and T3, then T2 and T4. The transformer primary is now
subjected to the full input voltage. The current levels flowing
are halved compared to the half-bridge for a given power
level. Hence, the Full-Bridge will double the output power
of the Half-Bridge using the same transistor types.

The secondary circuit operates in exactly the same manner
as the push-pull and half-bridge, also producing very low
ripple outputs at very high current levels. Therefore, the
waveforms for the Full-Bridge are identical to the
Half-Bridge waveforms shown in Fig. 13, except for the
voltage across the primary, which is effectively doubled
(and switch currents halved). This is expressed in the dc
gain and peak current equations, where the factor of two
comes in, compared with the Half-Bridge.

Advantages.

As stated, the Full-Bridge is ideal for the generation of very
high output power levels. The increased circuit complexity
normally means that the Full-Bridge is reserved for
applications with power output levels of 1kW and above.
For such high power requirements, designers often select
power Darlingtons, since their superior current ratings and
switching characteristics provide additional performance
and in many cases a more cost effective design.

The Full-Bridge also has the advantage of only requiring
one mains smoothing capacitor compared to two for the
Half-Bridge, hence,

saving space. Its other major

advantages are the same as for the Half-Bridge.

Disadvantages.

Four transistors and clamp diodes are needed instead of
two for the other symmetrical types. Isolated drive for two
floating potential

transistors

is

now

required.

The

Full-Bridge has the most complex and costly design of any
of the converters discussed, and should only be used where
other types do not meet the requirements. Again, the four
transistor snubbers (if required) must be implemented
carefully to prevent interactions occurring between them.

Table

7

gives

an

outline

of

the

Philips

power

semiconductors suitable for use with the Full-Bridge.

Fig. 14  The Full-Bridge converter.

Vo

T1

D1

Co

TR1

D2

L1

TR2

Vin

D3

D4

C1

*

*

* Isolated drive required.

C2

TR3

TR4

D5

D6

125

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Output power

500W

1000W

2000W

Line voltage, Vin

110V ac

220V ac

110V ac

220V ac

110V ac

220V ac

Transistor requirements

Max current

5.7A

3.1A

11.5A

6.25A

23.0A

12.5A

Max voltage

250V

450V

250V

450V

250V

450V

Bipolar transistors.

TO-220

BUT12

BUT18

---

---

---

---

Isolated SOT-186

BUT12F

BUT18F

---

---

---

---

SOT-93

---

---

BUW13

BUW13

---

BUW13

Isolated SOT-199

---

---

BUW13F

BUW13F

---

BUW13F

Power MOSFET

SOT-93

---

BUK438-500B

---

---

---

---

Output Rectifiers (dual)

O/P voltage

5V

---

---

---

10V

---

---

---

20V

PBYR30100PT

---

---

BYV42E-100/150/200
BYV72E-100/150/200

50V

BYV34-300

BYV44-300

---

Table 7. Recommended Power Semiconductors for the Full-Bridge converter.

Full-Bridge converter.

Converter efficiency, 

η

 = 80%;  Max duty cycle, D

max

 = 0.9

Max transistor voltage, V

ce 

or V

ds 

= V

in(max)

 + leakage spike.

dc voltage gain:-   

Applications:-    Very high power, normally above 1000W. Very high current, very low ripple outputs.   Well suited for

high input voltage applications. E.g. 110, 220, 440V mains. E.g. Computer Mainframe supplies, Large lab equipment

supplies, Telecomm systems.

Max transistorcurrent

,

I

C

;

I

D

=

P

out

η

D

max

V

min

Vo

Vin

=

2

n

D

126

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Conclusion.

The 5 most common S.M.P.S. converter topologies, the
flyback, forward, push-pull, half-bridge and full-bridge types
have been outlined. Each has its own particular operating
characteristics and advantages, which makes it suited to
particular applications.

The converter topology also defines the voltage and current
requirements of the power transistors (either MOSFET or
Bipolar). Simple equations and calculations used to outline
the requirements of the transistors for each topology have
been presented.

The selection guide for transistors and rectifiers at the end
of each topology section shows some of the Philips devices
which are ideal for use in S.M.P.S. applications.

References.

(1) Philips MOSFET Selection Guide For S.M.P.S. by
M.J.Humphreys.

Philips

Power

Semiconductor

Applications group, Hazel Grove.

(2) Switch Mode Power Conversion - Basic theory and
design by K.Kit.Sum. (Published by Marcel Dekker
inc.1984)

127

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Appendix A.

MOSFET throughput power calculations.

Assumptions made:-

The power loss (Watts) in the transistor due to on-state
losses is 5% of the total throughput (output) power.

Switching losses in the transistor are negligible. N.B. At
frequencies significantly higher than 50kHz the switching
losses may become important.

The device junction temperature, T

j

is taken to be 125˚C.

The ratio R

ds(125C˚)

/R

ds(25˚C)

is dependent on the voltage of the

MOSFET device. Table A1 gives the ratio for the relevant
voltage limiting values.

The value of V

s(min)

for each input value is given in Table

A2.

Device voltage limiting

R

ds(125C)

value.

--------

R

ds(25C)

100

1.74

200

1.91

400

1.98

500

2.01

800

2.11

1000

2.15

Table A1. On resistance ratio.

Main input

Maximum dc link

Minimum dc

voltage

voltage

link

voltage

220 / 240V ac

385V

200V

110 / 120V ac

190V

110V

Table A2. Max and Min dc link voltages for mains inputs.

Using the following equations, for a given device with a
known R

ds(125˚C)

, the maximum throughput power in each

topology can be calculated.

Where:-

P

th(max)

 = Maximum throughput power.

D

max

 = maximum duty cycle.

τ

 = required transistor efficiency (0.05 

±

 0.005)

Rds

(125˚C) 

= R

ds(25˚C) 

x ratio.

V

s(min)

 = minimum dc link voltage.

Forward converter.

D

max

 = 0.45

Flyback Converter.

D

max

 = 0.45

Push Pull Converter.

D

max

 = 0.9

Half Bridge Converter.

D

max

 = 0.9

Full Bridge Converter.

D

max

 = 0.9

P

th

(

max

)

=

τ ×

V

s

(

min

)

2

×

D

max

R

ds

(

125c

)

P

th

(

max

)

=

3

× τ ×

V

s

(

min

)

2

×

D

max

4

×

R

ds

(

125c

)

P

th

(

max

)

=

τ ×

V

s

(

min

)

2

×

D

max

R

ds

(

125c

)

P

th

(

max

)

=

τ ×

V

s

(

min

)

2

×

D

max

4

×

R

ds

(

125c

)

P

th

(

max

)

=

τ ×

V

s

(

min

)

2

×

D

max

2

×

R

ds

(

125c

)

128

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

2.1.2  The Power Supply Designer’s Guide to High Voltage

Transistors

One of the most critical components in power switching
converters is the high voltage transistor. Despite its wide
usage, feedback from power supply designers suggests
that there are several features of high voltage transistors
which are generally not well understood.

This section begins with a straightforward explanation of
the key properties of high voltage transistors. This is done
by showing how the basic technology of the transistor leads
to its voltage, current, power and second breakdown limits.
It is also made clear how deviations from conditions
specified in the data book will affect the performance of the
transistor. The final section of the paper gives practical
advice for designers on how circuits might be optimised and
transistor failures avoided.

Introduction

A

large

amount

of

useful

information

about

the

characteristics of a given component is provided in the
relevant data book. By using this information, a designer
can usually be sure of choosing the optimum component
for a particular application.

However, if a problem arises with the completed circuit, and
a more detailed analysis of the most critical components
becomes necessary, the data book can become a source
of frustration rather than practical assistance. In the data
book, a component is often measured under a very specific
set of conditions. Very little is said about how the component
performance is affected if these conditions are not
reproduced exactly when the component is used in a circuit.

There are as many different sets of requirements for high
voltage transistors as there are circuits which make use of
them. Covering every possible drive and load condition in
the device specification is an impossible task. There is
therefore a real need for any designer using high voltage
transistors to have an understanding of how deviations from
the conditions specified in the transistor data book will affect
the electrical performance of the device, in particular its
limiting values.

Feedback from designers implies that this information is not
readily available. The intention of this report is therefore to
provide designers with the information they need in order
to optimise the reliability of their circuits. The characteristics
of high voltage transistors stem from their basic technology
and so it is important to begin with an overview of this.

HVT technology

Stripping away the encapsulation of the transistor reveals
how the electrical connections are made (see Fig. 1). The
collector is contacted through the back surface of the
transistor chip, which is soldered to the nickel-plated copper
lead frame. For Philips power transistors the lead frame
and the centre leg are formed from a single piece of copper,
and so the collector can be accessed through either the
centre leg or any exposed part of the lead frame (eg the
mounting base for TO-220 and SOT-93).

Fig. 1  High voltage transistor without the plastic case.

The emitter area of the transistor is contacted from the top
surface of the chip. A thin layer of aluminium joins all of the
emitter area to a large bond pad. This bond pad is aluminium
wire bonded to the emitter leg of the transistor when the
transistor is assembled. The same method is used to
contact the base area of the chip. Fig. 2 shows the top view
of a high voltage transistor chip in more detail.

Viewing the top surface of the transistor chip, the base and
emitter fingers are clearly visible. Around the periphery of
the chip is the high voltage glass passivation. The purpose
of this is explained later.

Taking a cross section through the transistor chip reveals
its npn structure. A cross section which cuts one of the
emitter fingers and two of the base fingers is shown in Fig. 3.

nickel-plated
copper lead
frame

passivated
chip

aluminium
wires

tinned copper
leads

ultrasonic
wire bonds

Base

Collector

Emitter

129

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 2  High voltage transistor chip.

On the top surface of the transistor are the aluminium tracks
which contact the base and emitter areas. The emitter finger
is shown connected to an n+ region. This is the emitter area.
The n+ denotes that this is very highly doped n type silicon.
Surrounding the n+ emitter is the base, and as shown in
Fig. 3 this is contacted by the base fingers, one on either
side of the emitter. The p denotes that this is highly doped
p type silicon.

On the other side of the base is the thick collector n- region.
The n- denotes that this is lightly doped n type silicon. The
collector region supports the transistor blocking voltage,
and its thickness and resistivity must increase with the
voltage rating of the device.

Fig. 3  Cross section of HVT.

Following the collector region is the n+ back diffusion. The
n+ back diffusion ensures a good electrical contact is made
between the collector region and the lead frame/collector
leg, whilst also allowing the crystal to be thick enough to
prevent it from cracking during processing and assembly.
The bottom surface of the chip is soldered to the lead frame.

Voltage limiting values

Part 1: Base shorted to emitter.

When the transistor is in its off state with a high voltage
applied to the collector, the base collector junction is
reverse biased by a very high voltage. The voltage
supporting

depletion region extends deep into the collector,

right up to the back diffusion, as shown in Fig. 4.

Fig. 4  Depletion region extends deep into the collector

during the off state.

With the base of the transistor short circuited to the emitter,
or at a lower potential than the emitter, the voltage rating
is governed by the voltage supporting capability of the
reverse biased base collector junction. This is the transistor
V

CESMmax

. The breakdown voltage of the reverse biased base

collector junction is determined mainly by the collector width
and resistivity as follows:

Figure 5 shows the doping profile of the transistor. Note the
very high doping of the emitter and the back diffusion, the
high doping of the base and the low doping of the collector.
Also shown in Fig. 5 is the electric field concentration
throughout the depletion region for the case where the
transistor is supporting its off state voltage. The electric
field, E, is given by the equation, E = -dV/dx, where -dV is
the voltage drop in a distance dx. Rewriting this equation
gives the voltage supported by the depletion region:

emitter fingers

base fingers

emitter
bond pad

base
bond pad

high

voltage

passivation

n+

p

n-

n+

base finger

emitter finger

base finger

emitter

base

collector

back diffusion

Depletion Region

n+

p

n-

n+

base finger

emitter finger

base finger

emitter

base

collector

back diffusion

solder

lead frame

V

= −⌠

Edx

130

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 5  Doping profile and E field distribution.

This is the area under the dotted line in Fig.5.

During the off state, the peak electric field occurs at the
base collector junction as shown in Fig. 5. If the electric field
anywhere in the transistor exceeds 200 kVolts per cm then
avalanche breakdown occurs and the current which flows
in the transistor is limited only by the surrounding circuitry.
If the avalanche current is not limited to a very low value
then the power rating of the transistor can easily be
exceeded and the transistor destroyed as a result of thermal
breakdown. Thus the maximum allowable value of electric
field is 200 kV/cm.

The gradient of the electric field, dE/dx, is proportional to
charge density which is in turn proportional to the level of
doping. In the base, the gradient of the electric field is high
because of the high level of doping, and positive because
the base is p type silicon. In the collector, the gradient of
the electric field is low because of the low level of doping,
and negative because the collector is n type silicon. In the
back diffused region, the gradient of the electric field is very
highly negative because this is very highly doped n type
silicon.

Increasing the voltage capability of the transistor can
therefore be done by either increasing the resistivity
(lowering the level of doping) of the collector region in order
to maintain a high electric field for the entire collector width,
or increasing the collector width itself. Both of these
measures can be seen to work in principle because they
increase the area under the dotted line in Fig. 5.

The breakdown voltage of the transistor, V

CESMmax

, is limited

by the need to keep the peak electric field, E, below 200
kV/cm. Without special measures, the electric field would
crowd at the edges of the transistor chip because of the
surface irregularities. This would limit breakdown voltages
to considerably less than the full capability of the silicon.
Crowding of the equipotential lines at the chip edges is

avoided by the use of a glass passivation (see Fig. 6). The
glass passivation therefore allows the full voltage capability
of the transistor to be realised.

Fig. 6  High voltage passivation.

The glass used is negatively charged to induce a p- channel
underneath it. This ensures that the applied voltage is
supported evenly over the width of the glass and does not
crowd at any one point. High voltage breakdown therefore
occurs in the bulk of the transistor, at the base collector
junction, and not at the edges of the crystal.

Exceeding the voltage rating of the transistor, even for a
fraction of a second, must be avoided. High voltage
breakdown effects can be concentrated in a very small area
of the transistor, and only a small amount of energy may
damage the device. However, there is no danger in using
the full voltage capability of the transistor as the limit under
worst case conditions because the high voltage passivation
is extremely stable.

Part 2: Open circuit base.

With the base of the transistor open circuit the voltage
capability is much lower. This is the V

CEOmax

of the device

and it is typically just less than half of the V

CESMmax

rating.

The reason for the lower voltage capability under open
circuit base conditions is as follows:

As the collector emitter voltage of the transistor rises, the
peak electric field located at the base collector junction rises
too. Above a peak E field value of 100 kV/cm there is an
appreciable leakage current being generated.

In the previous case, with the base contact short circuited
to the emitter, or held at a lower potential than the emitter,
any holes which are generated drift from the edge of the
depletion region towards the base contact where they are
extracted. However, with the base contact open circuit, the
holes generated diffuse from the edge of the depletion
region towards the emitter where they effectively act as
base current. This causes the emitter to inject electrons into
the base, which diffuse towards the collector. Thus there is
a flow of electrons from the emitter to the collector.

Doping

Distance

n+ p

n-

n+

E

B

C

E field

base

emitter

250V

600V

850V

1150V

n-

n+

n+

p

n+

n-

special glass

131

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The high electric field in the collector accelerates the
electrons to the level where some have sufficient energy to
produce more hole electron pairs through their collisions
with the lattice. The current generated in this way adds to
the leakage current. Thus with the base contact open circuit
the emitter becomes active and provides the system with
gain, multiplying the leakage current and consequently
reducing the breakdown voltage.

For a given transistor the gain of the system is dependant
on two things. Firstly it is dependant on the probability that
a hole leaving the depletion region will reach the emitter. If
the base is open circuit and no recombination occurs then
this probability is 1. If the base is not open circuit, and
instead a potential below V

BEon

is applied, then there is a

chance that a hole leaving the depletion region will be
extracted at the base contact. As the voltage on the base
contact is made less positive the probability of holes
reaching the emitter is reduced.

Secondly, the gain is dependant on the probability of
electrons leaving the emitter, diffusing across the base and
being accelerated by the high field in the collector to the
level where they are able to produce a hole electron pair in
one of their collisions with the lattice. This depends on the
electric field strength which is in turn dependant on the
collector voltage.

Thus for a given voltage at the base there is a corresponding
maximum collector voltage before breakdown will occur.
With the base contact shorted to the emitter, or at a lower
potential than the emitter, the full breakdown voltage of the
transistor is achieved (V

CESMmax

). With the base contact open

circuit, or at a

higher potential than the emitter, the

breakdown voltage is lower (V

CEOmax

) because in this case

the emitter is active and it provides the breakdown
mechanism with gain.

With the base connected to the emitter by a non zero
impedance, the breakdown voltage will be somewhere
between the V

CESMmax

and the V

CEOmax

. A low impedance

approximates to the shorted base, ’zero gain’, case and a
high impedance approximates to the open base, ’high gain’,
case. With a base emitter impedance of 47

and no

externally applied base voltage, the breakdown voltage is
typically 10% higher than the V

CEOmax

.

Current limiting values

The maximum allowed DC current is limited by the size of
the bond wires to the base and emitter. Exceeding the DC
limiting values I

Cmax

and I

Bmax

, for any significant length of

time, may blow these bond wires. If the current pulses are
short and of a low duty cycle then values greatly in excess
of the DC values are allowed. The I

CMmax

and I

BMmax

ratings

are recommendations for peak current values. For a duty
cycle of 0.01 and a pulse width of 10ms these values will
typically be double the DC values.

If the pulses are shorter than 10ms then even the
recommended peak values can be exceeded under worst
case conditions. However, it should be noted that
combinations of high collector current and high collector
voltage can lead to failure by second breakdown (discussed
later). As the collector current is increased, the collector
voltage required to trigger second breakdown drops, and
so allowing large collector current spikes increases the risk
of failure by second breakdown. It is therefore advised that
the peak values given in the data book are used as design
limits in order to maximise the component reliability.

In emitter drive circuits, the peak reverse base current is
equal to the peak collector current. The pulse widths and
duty cycles involved are small, and this mode of operation
is within the capability of all Philips high voltage transistors.

Power limiting value

The P

totmax

given in device data is not generally an

achievable parameter because in practice it is obtainable
only if the mounting base temperature can be held to 25 ˚C.
In practice, the maximum power dissipation capability of a
given device is limited by the heatsink size and the ambient
temperature. The maximum power dissipation capability for
a particular circuit can be calculated as follows;

T

jmax

is the maximum junction temperature given in the data

sheet. The value normally quoted is 150 ˚C. T

amb

is the

ambient temperature around the device heatsink. A typical
value in practice could be 65 ˚C. R

thj-mb

is the device thermal

resistance given in the data sheet, but to obtain a value of
junction to

ambient thermal resistance, R

thj-a

, the thermal

resistance of the mica spacer (if used), heatsink and
heatsink compound should be added to this.

The maximum power which can be dissipated under a given
set of circuit conditions is calculated using;

P

max

 = (T

jmax

-T

amb

)/R

thj-a

For a BUT11AF, in an ambient temperature of 65 ˚C,
mounted on a 10 K/W heatsink with heatsink compound,
this gives;

R

thj-a

 = 3.95 K/W + 10 K/W = 13.95 K/W

and hence the maximum power capable of being dissipated
under these conditions is;

P

max

 = (150-65)/13.95 = 6 W

Exceeding the maximum junction temperature, T

jmax

, is not

recommended. All of the quality and reliability work carried
out on the device is based on the maximum junction
temperature quoted in data. If T

jmax

is exceeded in the circuit

then the reliability of the device is no longer guaranteed.

132

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Secondary breakdown

Pure silicon, also known as

’intrinsic’ silicon, contains few

mobile charge carriers at room temperature and so its
conductivity is low. By doping the silicon (ie introducing
atoms of elements other than silicon) the number of mobile
charge carriers, and hence the conductivity, can be
increased. Silicon doped in such a way as to increase the
number of mobile electrons (negative charge) is called n
type silicon. Silicon doped in such a way as to increase the
number of mobile holes (positive charge) is called p type
silicon. Thus the base region of an npn transistor contains
an excess of mobile holes and the collector and emitter
regions contain an excess of mobile electrons.

When a high voltage is applied to the transistor, and the
collector base junction is reverse biased, a depletion region
is developed. This was shown in Fig. 4. The depletion
region supports the applied voltage. The electric field
distribution within the depletion region was shown in Fig. 5.

The term

depletion region refers to a region depleted of

mobile charge carriers. Therefore, within the depletion
region, the base will have lost some holes and hence it is
left with a net negative charge. Similarly the collector will
have lost some electrons and hence it is left with a net
positive charge. The collector is said to have a ’positive
space charge’ (and the base a ’negative space charge’.)

Consider the case where a transistor is in its off state
supporting a high voltage which is within its voltage
capability. The resulting electric field distribution is shown
in Fig. 7.

Fig. 7  V

CE

 high, I

C

 = 0.

If the collector voltage is held constant, and the collector
current increased so that there is now some collector
current flowing, this current will modify the charge
distribution within the depletion region. The effect this has
on the base is negligible because the base is very highly
doped. The effect this has on the collector is significant
because the collector is only lightly doped.

The collector current is due to the flow of electrons from the
emitter to the collector. As the collector current increases,
the collector current density increases. This increase in
collector current density is reflected in Fig. 8 by an increase
in the electron concentration in the collector.

At a certain collector current density, the negative charge
of the electrons neutralises the positive space charge of the
collector. The gradient of the electric field, dE/dx, is
proportional to charge density. If the space charge is
neutralised then the gradient of the electric field becomes
zero. This is the situation illustrated in Fig. 8. Note that the
shaded area remains constant because the applied voltage
remains constant. Therefore the peak value of electric field
drops slightly.

Fig. 8  V

CE

 high, I

C

>0.

Keeping the collector-emitter voltage constant, and pushing
up the collector current density another step, increases the
concentration of electrons in the collector still further. Thus
the collector charge density is now negative, the gradient
of electric field in the collector is now positive, and the peak
electric field has shifted from the collector-base junction to
the collector-back diffusion interface. This is shown in
Fig. 9.

Increasing the collector current density another step will
further increase the positive gradient of electric field. The
collector voltage is unchanged and so the shaded area must
remain unchanged. Therefore the peak electric field is
forced upwards. This is shown in Fig. 10.

Efield

Electron Concentration

Collector

Base

Efield

Collector

Base

133

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 9  V

CE

 high, I

C

 increased further.

Fig. 10  V

CE

 high, I

C

 increased further.

At a certain critical value of peak electric field, E

crit

, a

regenerative breakdown mechanism takes place which
causes the electron concentration in the collector to
increase uncontrollably by a process known as

avalanche

multiplication. As the electron concentration increases, the
gradient of electric field increases (because the gradient of
electric field is proportional to charge density). The peak
electric field is clamped by the breakdown and so the
collector voltage drops. In most circuits the collapsing
collector voltage will result in a further rise in collector
current density, causing a further rise in electron
concentration (ie positive feedback). This is shown in
Fig. 11.

At approximately 30 V, the holes produced by the
avalanche multiplication build up sufficiently to temporarily
stabilize the system. However, with 30 V across the device
and a high collector current flowing through it, a
considerable amount of heat will be generated. Within less
than one microsecond thermal breakdown will take place,
followed by device destruction.

Fig.11  V

CE

 falling, I

C

 increasing

Safe Operating Area

It has been shown that the electric field profile, and hence
the peak electric field, is dependent on the combination of
collector current density and applied collector voltage. The
peak electric field increases with increasing collector
voltage (increase in shaded area in Figs. 7 to 11). It also
increases

with

increasing

collector

current

density

(increase in gradient of electric field). At all times the peak
electric field must remain below the critical value. If the
collector voltage is lowered then a higher collector current
density is permitted. If the collector current density is
lowered then a higher collector voltage is permitted.

Potentially destructive combinations of collector current
density and collector voltage are most likely to occur during
switching and during fault conditions in the circuit (eg a short
circuited load). The safe operating areas give information
about the capability of a given device under these
conditions.

The collector current density is dependent on the collector
current and the degree of current crowding in certain areas
of the collector. The degree of current crowding is different
for turn-on (positive base voltage) and turn-off (negative
base voltage). Therefore the allowed combinations of
collector current and collector voltage, collectively known
as the safe operating area (SOA) of the transistor, will be
different for turn-on of the transistor and turn-off.

Forward SOA

With a positive voltage applied to the base, the shape of
the safe operating area for DC operation is that shown in
Fig. 12. Operation outside the safe operating area is not
allowed.

For pulsed operation the forward SOA increases, and for
small, low duty cycle pulses it becomes square. The forward
SOA provides useful information about the capabilities of
the transistor under fault conditions in the circuit (eg. a short
circuited load).

Efield

Electron Concentration

Collector

Base

Efield

Electron Concentration

Ecrit

Electron Density Increasing

Voltage Collapsing

Base

Collector

Efield

Electron Concentration

Collector

Base

134

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 12  Forward SOA.

The safe operating area is designed to protect the current,
power, voltage and second breakdown limits of the
transistor. The current, power and voltage limits of the
transistor have already been discussed. Note that the peak
voltage rating is the V

CEOmax

rating and not the V

CESMmax

rating. The V

CESMmax

rating only applies if the base emitter

voltage is not greater than zero volts.

Sometimes shown on forward SOA curves is an extension
allowing higher voltages than V

CEOmax

to be tolerated for

short periods (of the order of 0.5 

µ

s). This allows turn-on of

the transistor from a higher voltage than V

CEOmax

. However,

the pulses allowed are very short, and unless it can be
guaranteed that the rated maximum pulse time will never
be exceeded, transistor failures will occur. If the circuit
conditions can be guaranteed then there is no danger in
making use of this capability.

As mentioned in the previous section, second breakdown
is triggered by combinations of high collector voltage and
high collector current density. With a positive voltage
applied to the base, the region of highest current density is
at the edges of the emitter as shown in Fig. 13.

Fig. 13  Forward biased second breakdown.

The base region under the emitter constitutes a resistance
(known as the

sub emitter resistance). With a positive

voltage applied to the base, the sub emitter resistance will
mean that the areas of the emitter which are nearest to the
base have a higher forward bias voltage than the areas
furthest from the base. Therefore the

edges of the emitter

have a higher forward bias voltage than the centre and so
they receive a higher base current.

As a result of this the edges of the emitter conduct a
substantial proportion of the collector current when the base
is forward biased. If the collector current is high then the
current density at the edges of the emitter is also high. There
will be some spreading out of this current as it traverses
the base. When the edge of the depletion region is reached,
the current is sucked across by the electric field.

If the transistor is conducting a high current and also
supporting a high voltage, then the current density will be
high when the current reaches the edge of the depletion
region. If the current density is beyond that allowed at the
applied voltage, then the second breakdown mechanism is
triggered (as explained in the previous section) and the
device will be destroyed.

With a positive base current flowing, the region of highest
current density is at the edges of the emitter. A forward SOA
failure will therefore produce burns which originate from the
edge of one of the emitter fingers.

Forward SOA failure becomes more likely as pulse width
and/or duty cycle is increased. Because the edges of the
emitter are conducting more current than the centre, they
will get hotter. The temperature of the emitter edges at the
end of each current pulse is a function of the pulse width
and the emitter current. Longer pulse widths will increase
the temperature of the emitter edges at the end of each
current pulse. Higher duty cycles will leave insufficient time
for this heat to spread. In this manner, combinations of long
pulse width and high duty cycle can give rise to cumulative
heating effects. Current will crowd towards the hottest part
of the emitter. There is therefore a tendency for current to
become concentrated in very narrow regions at the edges
of the emitter fingers, and as pulse width and/or duty cycle
is increased the degree of current crowding increases. This
is the reason why the forward SOA for DC operation is as
shown in Fig. 12, but for pulsed operation it is enlarged and
for small, low duty cycle pulses it becomes square.

Reverse SOA

During turn-on of the transistor, the high resistance of the
collector region is reduced by the introduction of holes (from
the base) and electrons (from the emitter). This process,
known as

conductivity modulation, is the reason why bipolar

transistors are able to achieve such a low collector voltage
during the on state, typically 0.2 V. However, during turn-off

Maximum Collector
Current rating

Maximum Power
rating (Ptotmax)

Second breakdown
limit

Maximum Collector
Voltage rating
(VCEOmax)

VCE

IC

ICmax

n+

p

n-

n+

emitter

base

collector

back diffusion

Depletion Region

e-

e-

IB

IB

1V

1V

0.8V

0.8V

135

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

of the transistor, these extra holes and electrons constitute
a stored charge which must be removed from the collector
before the voltage supporting depletion region can develop.

To turn off the transistor, a negative voltage is applied to
the base and a reverse base current flows. During turn-off
of the transistor, it is essential that the device stays within
its reverse bias safe operating area (RBSOA). The shape
of a typical RBSOA curve is as shown in Fig. 14.

With no negative voltage applied to the base, the RBSOA
is very much reduced, as shown in Fig. 14. This is
particularly important to note at power up and power down
of power supplies, when rail voltages are not well defined
(see section on improving reliability).

Fig. 14  Reverse SOA.

On applying a negative voltage to the base, the charge
stored in the collector areas nearest to the base contacts
will be extracted, followed by the charge stored in the
remaining collector area. Holes not extracted through the
base contact are free to diffuse into the emitter where they
constitute a base current which keeps the emitter active.
During the transistor storage time, the collector charge is
being extracted through the base, but the emitter is still
active and so the collector current continues to flow.

During the transistor fall time, the voltage supporting
depletion region is being developed and therefore the
collector voltage is rising. In addition to this, the negative
voltage on the base is causing holes to drift towards the
base contact where they are neutralised, thus preventing
holes from diffusing towards the emitter.

This has two effects on the collector current. Firstly, the
rising collector voltage results in a reduction in the voltage
across the collector load, and so the collector current starts
to drop. Secondly, the extraction of holes through the base
will be most efficient nearest to the base contacts (due to
the sub emitter resistance), and so the collector current
becomes concentrated into narrow regions under the
centre of the emitter fingers (furthest from the base). This

is shown in Fig. 15. This current crowding effect leads to
an increase in the collector current density during turn off,
even though the collector current itself is falling.

Thus for a portion of the fall time, the collector voltage is
rising and the collector current density is also rising. This
is a critical period in the turn-off phase. If the turn-off is not
carefully controlled, the transistor may be destroyed during
this period due to the onset of the second breakdown
mechanism described earlier.

During this critical period, the collector current is
concentrated into a narrow region under the centre of the
emitter. RBSOA failure will therefore produce burns which
originate from the centre of one of the emitter fingers.

Fig. 15  Reverse biased second breakdown.

Useful tips as an aid to circuit design

In

recent

years,

the

Philips

Components

Power

Semiconductor Applications Laboratory (P.S.A.L.) has
worked closely with a number of HVT users. It has become
apparent that there are some important circuit design
features which, if overlooked, invariably give rise to circuit
reliability problems. This section addresses each of these
areas and offers guidelines which, if followed, will enhance
the overall performance and reliability of any power supply.

Improving turn-on

There is more to turning on a high voltage transistor than
simply applying a positive base drive. The positive base
drive must be at least sufficient to keep the transistor
saturated at the current it is required to conduct. However,
transistor gain as specified in data sheets tends to be
assessed under static conditions and therefore assumes
the device is already on.

Maximum Collector
Current rating

Second breakdown
limit

Maximum Collector
Voltage rating
(VCESMmax)

VCE

IC

VCEOmax

VBEoff = 5V

VBEoff = 0V

ICmax

n+

p

n-

n+

emitter

base

collector

back diffusion

Depletion Region

e-

IB

IB

0V

0V

1V

136

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 16  Transistor switching waveforms in a typical

power supply.

Note 1.

The base current requirements at turn-on of the

transistor are higher than the static gain would suggest.

The conductivity modulation process, described at the
beginning of the previous section, occurs every time the
transistor is turned on. The faster the charges are
introduced into the collector, the faster the collector
resistance will drop, allowing the collector voltage to drop
to its saturation level. The rate at which the collector charge
is built up is dependent on the applied base current and the
applied collector current. In order to turn the transistor on
quickly, and hence minimise the turn-on dissipation, the
transistor needs to be overdriven until the collector voltage
has dropped to its saturation level. This is achieved by
having a period of overshoot at the start of the base current
pulse. The turn-on waveforms are shown in Fig. 17.

Fig. 17  Turn on waveforms.

Note 2.

A fast rising base current pulse with an initial period

of overshoot is a desirable design feature in order to keep
the turn-on dissipation low.

The base current overshoot is achieved by having a
capacitor in parallel with the forward base drive resistor (see
Fig. 18). The RC time constant determines the overshoot
period and as a first approximation it should be comparable
to the transistor storage time. The capacitor value is then
adjusted until the overshoot period is almost over by the
time the transistor is saturated. This is the optimum drive
condition. A resistor in series with the capacitor (typically
R/2) can be used to limit the peak base current overshoot
and remove any undesirable oscillations.

The initial period of overshoot is especially necessary in
circuits where the collector current rises quickly (ie square
wave switching circuits and circuits with a high snubber
discharge current). In these circuits the transistor would
otherwise be conducting a high collector current during the
early stages of the turn-on period where the collector
voltage can still be high. This would lead to an unacceptable
level of turn-on dissipation.

Fig. 18  Forward base drive circuit.

Note 3.

Square wave switching circuits, and circuits with a

high snubber discharge current, are very susceptible to high
turn-on dissipation. Using an RC network in series with the
forward base current path increases the turn-on speed and
therefore overcomes this problem.

It should also be noted that during power up of power supply
units, when all the output capacitors of the supply are
discharged, the collector current waveform is often very
different to that seen under normal running conditions. The
rising edge of the collector current waveform is often faster,
the collector current pulse width is often wider and the peak
collector current value is often higher.

VCE

IC

TURN ON

TURN OFF

+VBB

R

C

TR

R/2

IC

IB

VCE

5 V

137

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

In order to prevent excessive collector current levels (and
transformer saturation) a ’soft start’ could be used to limit
the collector current pulse width during power up.
Alternatively, since many power supply designs are now
using current mode control, excessive collector current can
be avoided simply by setting the overcurrent threshold at
an acceptable level.

Note 4.

Using the ’soft start’ and/or the overcurrent

protection capability of the SMPS control IC prevents
excessive collector current levels at power up.

Improving turn-off

As far as the collector current is concerned, optimum
turn-off for a particular device is determined by how quickly
the structure of the device will allow the stored charge to
be extracted. If the device is turned off too quickly, charge
gets trapped in the collector when the collector base
junction recovers. Trapped charge takes time to recombine
leading to a long collector current tail at turn-off and hence
high turn-off losses. On the other hand, if the device is
turned off too slowly, the collector voltage starts to rise
prematurely (ie while the collector current is at its peak).
This would also lead to high turn-off losses.

Note 1.

Turning the transistor off either too quickly or too

slowly leads to high turn-off losses.

Optimum turn-off is achieved by using the correct
combination of reverse base drive and storage time control.
Reverse base drive is necessary to prevent storage times
from being too long (and also to give the maximum RBSOA).
Storage time control is necessary to prevent storage times
from being too short.

Storage time control is achieved by the use of a small
inductor in series with the reverse base current path (see
Fig. 19). This controls the slope of the reverse base current
(as shown in Fig. 20) and hence the rate at which charge
is extracted from the collector. The inductor, or

’base coil’,

is typically between 1 and 6

µ

H, depending on the reverse

base voltage and the required storage time.

Fig. 19  Reverse base drive circuit.

Note 2.

Applying a base coil in series with the reverse base

current path increases the transistor storage time but
reduces both the fall time and the turn-off losses.

Applying this small base inductor will usually mean that the
base emitter junction of the transistor is brought into
breakdown during part of the turn-off cycle. This is not a
problem for the device because the current is controlled by
the coil and the duty cycle is low.

If the transistor being used is replaced by a transistor of the
same technology but having either a higher current rating
or a higher voltage rating, then the volume of the collector
increases. If the collector volume increases then the volume
of charge in the collector, measured at the same saturation
voltage, also increases. Therefore the required storage
time for optimum turn-off increases and also the required
negative drive energy increases.

Overdriving the transistor (ie. driving it well into saturation)
also increases the volume of stored charge and hence the
required storage time for optimum turn-off. Conversely, the
required storage time for a particular device can be reduced
by using a desaturation network such as a Baker clamp.
The Baker clamp reduces the volume of stored charge by
holding the transistor out of heavy saturation.

Note 3.

The required storage time for optimum turn-off and

the required negative drive energy will both increase as the
volume of stored charge in the collector is increased.

The reverse base current reaches its peak value at about
the same time as the collector current reaches its peak
value. The turn-off waveforms are shown in Fig. 20.

Fig. 20  Turn off waveforms.

Note 4.

For optimum turn-off of any transistor, the peak

reverse base current should be half of the peak collector
current and the negative drive voltage should be between
2 and 5 volts.

IC

IB

ts

tf

VCE

ICpeak

-IBpeak
(= -ICpeak/2)

TR

-VBB

OV

LB

138

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

As far as the collector voltage is concerned, the slower the
dV/dt the lower the turn-off dissipation. Control of the
collector dV/dt is achieved by the use of a snubber network
(see Fig. 21). The snubber capacitor also controls the
collector voltage overshoot and thus prevents overvoltage
of the transistor.

Fig. 21  RCD snubber.

High collector dV/dt at turn-off can bring an additional
problem for the transistor. A charging current flows through
the collector-base (Miller) capacitance of the device, and
according to the law, I = C x dV/dt, this charging current
increases in magnitude with increasing dV/dt. If this current
enters the base then the transistor can begin to turn back
on. Control of the collector dV/dt is usually enough to
prevent this from happening. If this is insufficient then the
base-emitter impedance must be reduced by applying a
resistor and/or capacitor between base and emitter to shunt
some of this current.

Note 5.

High collector dV/dt at turn-off leads to parasitic

turn-on if the charging current of the transistor Miller
capacitance is not shunted away from the base.

High collector dI/dt at turn-off can also bring problems if the
inductance between the emitter and the base ground
reference is too high. The falling collector current will induce
a voltage across this inductance which takes the emitter
more negative. If the voltage on the emitter falls below the
voltage on the base then the transistor can begin to turn
back on. This problem is more rare but if it does arise then
adding a resistor and/or capacitor between base and
emitter helps to keep the base and emitter more closely
coupled. At all times it is important to keep the length of the
snubber wiring to an absolute minimum.

Note 6.

High collector dI/dt at turn-off leads to parasitic

turn-on if the inductance between the emitter and the base
ground reference is too high.

Fig. 22  HVT environment.

Improving reliability

In the majority of cases, the most stressful circuit conditions
occur during power up of the SMPS, when the base drive
is least well defined and the collector current is often at its
highest value. However, the electrical environment at
power up is very often hardly considered, and potentially
destructive operating conditions go unnoticed.

A very common circuit reliability problem is RBSOA failure
occurring on the very first switching cycle, because the
reverse drive to the base needs several cycles to become
established. With no negative drive voltage on the base of
the transistor, the RBSOA is reduced (as discussed earlier).
To avoid RBSOA failure, the collector voltage must be kept
below V

CEOmax

until there is sufficient reverse drive energy

available to hold the base voltage negative during the
turn-off phase.

Even with the full RBSOA available, control of the rate of
rising collector voltage through the use of a snubber is often
essential in order to keep the device within the specified
operating limits.

Note 1.

The conditions at power up often come close to the

safe operating limits. Until the negative drive voltage supply
is fully established, the transistor must be kept below its
V

CEOmax

.

Another factor which increases the stress on many
components is increased ambient temperature. It is
essential that the transistor performance is assessed at the
full operating temperature of the circuit. As the temperature
of the transistor chip is increased, both turn-on and turn-off
losses may also increase. In addition to this, the quantity
of stored charge in the device rises with temperature,
leading to higher reverse base drive energy requirements.

TR

-VBB

LB

+VBB

R

C

D

R

C

0V

R/2

TR

D

R

C

0V

139

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Note 2.

Transistor performance should be assessed under

all operating conditions of the circuit, in particular the
maximum ambient temperature.

A significant proportion of power supply reliability problems
could be avoided by applying these two guidelines alone.
By making use of the information on how to improve turn-on

and turn-off, small design changes can be made to the
circuit which will enhance the electrical performance and
reliability of the transistor, leading to a considerable
improvement in the performance and reliability of the power
supply as a whole.

140

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

2.1.3  Base Circuit Design for High Voltage Bipolar Transistors

in Power Converters

Fast, high voltage switching transistors such as the
BUT211, BUT11, BUT12, BUT18, BUW13, BU1508,
BU2508, BU1706 and BU1708 have all helped to simplify
the design of converter circuits for power supply
applications. Because the breakdown voltage of these
transistors is high (from 850 to 1750V), they are suitable
for operation direct from the rectified 110V or 230V mains
supply. Furthermore, their fast switching properties allow
the use of converter operating frequencies up to 30kHz
(with emitter switching techniques pushing this figure past
100kHz).

The design of converter circuits using high-voltage
switching transistors requires a careful approach. This is
because the construction of these transistors and their
behaviour in practical circuits is different from those of their
low-voltage counterparts. In this article, solutions to base
circuit design for transistor converters and comparable
circuits are developed from a consideration of the
construction and the inherent circuit behaviour of high
voltage switching transistors.

Switching behaviour

Figure 1 shows a complete period of typical collector
voltage and current waveforms for a power transistor in a
switching converter. The turn-on and turn-off intervals are
indicated. The switching behaviour of the transistor during
these two intervals, and the way it is influenced by the
transistor base drive, will now be examined.

Fig. 1  V

CE

 and I

C

 waveforms during the conduction

period for a power transistor in an S.M.P.S.

Turn-on behaviour

A particular set of voltage and current waveforms at the
collector and base of a converter transistor during the
turn-on interval is shown in Fig. 2(a). Such waveforms are
found in a power converter circuit in which a (parasitic)
capacitance is discharged by a collector current pulse at
transistor turn-on. The current pulse due to this discharge
can be considered to be superimposed on the trapezoidal
current waveform found in basic converter operation.

Fig. 2(a)  Turn-on waveforms of a practical converter

circuit.

A positive base current pulse I

B

turns on the transistor. The

collector-emitter voltage V

CE

starts to decrease rapidly and

the collector current I

C

starts to increase. After some time,

the rate of decrease of V

CE

reduces considerably and V

CE

remains relatively high because of the large collector
current due to the discharge of the capacitance. Thus, the
turn-on transient dissipation (shown by a broken line)
reaches a high value.

141

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 2(b)  Turn-on waveforms: fast-rising base current

pulse.

The collector current then decreases to a trough before
assuming the normal trapezoidal waveform. This is again
followed by a rapid decrease in V

CE

, which reaches the

saturation value defined by the collector current and base
current of the particular transistor.

Figure 2(b) depicts a similar situation but for a greater rate
of rise of the base current. The initial rapid decrease in V

CE

is maintained until a lower value is reached, and it can be
seen that the peak and average values of turn-on
dissipation are smaller than they are in Fig. 2(a).

Figure 2(c) shows the effect on the transistor turn-on
behaviour of a very fast rising base current pulse which
initially overshoots the final value. The collector-emitter
voltage decreases rapidly to very nearly the transistor
saturation voltage. The turn-on dissipation pulse is now
lower and much narrower than those of Figs. 2(a) and 2(b).

From the situations depicted in Figs. 2(a), 2(b) and 2(c), it
follows that for the power transistor of a converter circuit
the turn-on conditions are most favourable when the driving
base current pulse has a fast leading edge and overshoots
the final value of I

B

.

Fig. 2(c)  Turn-on waveforms: very fast-rising base

current pulse with overshoot.

Turn-off behaviour

The waveforms which occur during the turn-off interval
indicated in Fig. 1 are shown on an expanded timescale
and with four different base drive arrangements in Figs. 3(a)
to 3(d). These waveforms can be provided by base drive
circuits as shown in Figs. 4(a) to 4(c). The circuit of Fig. 4(a)
provides the waveforms of Fig. 3(a); the circuit of Fig. 4(b)
those of Fig. 3(b) and, with an increased reverse drive
voltage, Fig. 3(c). The circuit of Fig. 4(c) provides the
waveforms of Fig. 3(d). The waveforms shown are typical
of those found in the power switching stages of S.M.P.S.
and

television

horizontal

deflection

circuits,

using

high-voltage transistors.

In practical circuits, the waveform of the collector-emitter
voltage is mainly determined by the arrangement of the
collector circuit. The damping effect of the transistor on the
base circuit is negligible except during the initial part of the
turn-off period, when it only causes some delay in the rise
of the V

CE

pulse.

142

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 3(a)  Turn-off waveforms; circuit with speed-up

capacitor.

The I

C

×

V

CE

(turn-off dissipation) pulse is dependent on

both the transistor turn-off time and the collector current
waveshape during turn-off. Turn-off dissipation pulses are
indicated in Figs. 3(a) to 3(d) by the dashed lines.

The circuit of Fig. 4(a) incorporates a speed-up capacitor,
an arrangement often used with low-voltage transistors.
The effect of this is as shown in Fig. 3(a), a very rapid
decrease in the base current I

B

, which passes through a

negative peak value, and becomes zero at t

3

. The collector

current I

C

remains virtually constant until the end of the

storage time, at t

1

, and then decreases, reaching zero at t

3

.

The waveform of the emitter current, I

E

, is determined by I

C

and I

B

, until it reaches zero at t

2

, when the polarity of the

base-emitter voltage V

BE

is reversed.

After time t

2

, when V

BE

is negative and I

E

is zero, the collector

base currents are equal and opposite, and the emitter is no
longer effective. Thus, the further decrease of collector
current is governed by the reverse recovery process of the
transistor collector-base diode. The reverse recovery ’tail’
of I

C

(from t

2

to t

3

) is relatively long, and it is clear the turn-off

dissipation is high.

In the circuit of Fig. 4(b) the capacitor is omitted. Fig. 3(b)
shows that the negative base current is limited to a
considerably lower value than in the previous case. All the
currents I

B

, I

C

and I

E

reach zero at time t

3

. The transistor

emitter base junction becomes reverse biased at t

2

, so that

during the short interval from t

2

to t

3

a small negative emitter

current flows.

Fig. 4  Base circuits for turn-off base drive. The driver

transistor is assumed to be bottomed to turn off the

power transistor.

(a) With speed-up capacitor.

(b) Without speed up capacitor.

(c) With series inductor.

The emitter current, determined by the collector current and
by the (driven) base current, therefore maintains control
over the collector until it reaches zero. Furthermore, the
collector current has a less pronounced tail and so the fall
time is considerably shorter than that of Fig. 3(a). The
turn-off dissipation is also lower than in the previous case.

Increasing the reverse base drive voltage in the circuit of
Fig. 4(b), with the base series resistance adjusted so that
the same maximum reverse base current flows, gives rise
to the waveforms shown in Fig. 3(c). The collector current
tail is even less pronounced, and the fall time shorter than
in Fig. 3(b).

143

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 3(b)  Turn-off waveforms: circuit without speed-up

capacitor.

A further improvement in turn-off behaviour can be seen in
the waveforms of Fig. 3(d), which are obtained by including
an inductor in the base circuit as in Fig. 4(c). The rate of
change of the negative base current is smaller than in the
preceding cases, and the negative peak value of the base
current is smaller than in Fig. 3(a). The collector current I

C

reaches zero at t

3

, and from t

3

to t

4

the emitter and base

currents are equal. At time t

2

the polarity of V

BE

is reversed

and the base-emitter junction breaks down. At time t

4

the

negative

base-emitter

voltage

decreases

from

the

breakdown value V

(BR)EBO

to the voltage V

R

produced by the

drive circuit.

The collector current fall time in Fig. 3(d) is shorter than in
any of the previous cases. The emitter current maintains
control of the collector current throughout its decay. The
large negative value of V

BE

during the final part of the

collector current decay drives the base-emitter junction into
breakdown,

and

the

junction

breakdown

voltage

determines the largest possible reverse voltage. The
turn-off of the transistor is considerably accelerated by the
application

(correctly

timed)

of

this

large

base

emitter-voltage, and the circuit gives the lowest turn-off
dissipation of those considered.

Fig. 3(c)  Turn-off waveforms: circuit without speed-up

capacitor, with increased reverse drive voltage.

The operation of the base-emitter junction in breakdown
during transistor turn-off, as shown in Fig. 3(d), has no
detrimental effect on the behaviour of transistors such as
the BUT11 or BU2508 types. Published data on these
transistors allow operation in breakdown as a method of
achieving reliable turn-off, provided that the -I

B(AV)

and -I

BM

ratings are not exceeded.

It is evident from Figs. 3(a) to 3(d) that the respective
turn-off dissipation values are related by:-

P

off(a)

 > P

off(b)

 > P

off(c)

 >P

off(d)

The fall times (related in each case to the interval from t

1

to t

3

) are given by:-

t

f(a)

 > t

f(b)

 > t

f(c)

 > t

f(d)

The storage times (equal to the interval from t

0

to t

1

) are:-

t

s(a)

 < t

s(b)

 < t

s(d)

144

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

where the subscripts (a), (b), (c) and (d) refer to the
waveforms of Figs. 3(a), 3(b), 3(c) and 3(d) respectively. It
follows that the circuit of Fig. 4(c), which provides the
waveforms of Fig. 3(d), gives the most favourable turn-off
power dissipation. It has, however, the longest storage time.

Fig. 3(d)  Turn-off waveforms: circuit with series

inductor.

From consideration of the waveforms in Figs. 3(a) to 3(d),
it can be concluded that optimum turn-off of a high voltage
transistor requires a sufficiently long storage

time

determined by the turn-off base current and a sufficiently
large negative base-emitter voltage correctly timed with
respect to the collector current waveform.

The phenomena which have been described in this section
become more pronounced when the temperature of the
operating junction of the transistor is increased: in
particular, the fall times and storage times are increased.
The design of a base drive circuit should therefore be
checked by observing the waveforms obtained at elevated
temperatures.

Optimum base drive circuitry

From the foregoing study of the required base current and
base-emitter voltage waveforms, a fundamental base
circuit arrangement to give optimum turn-on and turn-off of
high voltage switching transistors will now be determined.
It

will

be

assumed

that

the

driver

stage

is

transformer-coupled to the base, as in Fig. 5(a), and that
the driver transformer primary circuit is such that a low
impedance is seen, looking into the secondary, during both
the forward and reverse drive pulses. The complete driver
circuit can then be represented as an equivalent voltage
source of +V

1

volts during the forward drive period and -V

2

volts during the reverse drive/bias period. This is shown in
Fig. 5(b).

Fig. 5  (a) Schematic drive circuit arrangement.

(b) Equivalent drive circuit arrangement.

(c) Equivalent circuit for current source forward drive.

Forward base drive can also be obtained from a circuit
which acts as a current source rather than a voltage source.
This situation, where the reverse drive is still obtained from
a voltage source, is represented in Fig. 5(c). The basic
circuit arrangements of Figs. 5(b) and 5(c) differ only with
respect to forward drive, and will where necessary be
considered separately.

Comparable base drive waveforms can, of course, be
obtained from circuits differing from those shown in
Figs. 5(b)

and

5(c).

For

such

alternative

circuit

configurations the following discussion is equally valid.

145

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Base series resistor

Most drive circuits incorporate a resistor R

B

in series with

the base. The influence of the value of this resistor on the
drive characteristic will be briefly discussed.

Voltage source forward drive.

In circuits with a voltage source for forward drive, shown in
a simplified form in Fig. 6(a), the following parameters
determine the base current:-

The transistor base characteristic ;

The value of the base resistor R

B

;

The forward drive voltage V

1

.

Fig. 6(a)  Drive circuit with base resistor R

B

 and voltage

source forward drive.

Figure 6(b) shows how the tolerances in these parameters
affect the base current. It is clear that to avoid large
variations in I

B

, the tolerances in R

B

and V

1

should be

minimised. The voltage drop across R

B

reduces the

dependence of I

B

on the spreads and variations of the

transistor V

BE(on)

. For good results the voltage drop across

R

B

must not be less than V

BE(on)

.

Current source forward drive

In circuits where a current source is used for forward drive,
the forward base current is independent of spreads and
variations of V

BE(on)

. The base current level and tolerances

are governed entirely by the level and tolerances of the
drive. A separate base series resistor is therefore
unnecessary, but is nevertheless included in many practical
current-source-driven circuits, to simplify the drive circuit
design. The following discussions will assume that a series
base resistor R

B

always forms part of the base drive

network.

Fig. 6(b)  Effects on the value of I

B

 on circuit tolerances.

(i) Variation of transistor base characteristic.

(ii) Variation of value of resistor R

B

.

(iii) Variation of drive voltage V

1

.

Turn-off arrangement

To initiate collector current turn-off, the drive voltage is
switched at time t

0

from the forward value +V

1

to the reverse

value -V

2

.

146

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 7(a)  Turn-off waveforms of the circuit of Fig. 7(b).

The desired turn-off voltage and current waveforms are
obtained by adding various circuit elements to the basic
resistive circuit of Fig. 6(a). A convenient method of
achieving the desired slowly-decreasing base current is to
use a series inductor L

B

as shown in Fig. 7(b). The turn-off

waveforms obtained by this method are shown in Fig. 7(a).

Fig. 7(b)  Base drive circuit with series inductor.

Base series inductor

At time t

0

the base current starts to decrease from the

forward drive value I

B1

with a slope equal to:-

For a considerable time after t

0

, the (decreasing) input

capacitance of the transistor maintains a charge such that
there is no perceptible change in V

BE

. At time t

2

the amount

of charge removed by the negative base current (-I

B

) is

insufficient to maintain this current, and its slope decreases.

At time t

3

, when:-

V

2

− (+

V

BE

(

on

)

)

L

B

d I

B

dt

=

0

where

I

B

=

I

B2

V

BE

= −

V

2

R

B

I

B2

147

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Immediately after t

3

, the stored energy in L

B

gives rise to a

voltage peak tending to increase the reverse bias of the
transistor. The voltage is clamped by the base-emitter
breakdown voltage, so that:-

At time t

4

the negative base current starts to decrease with

an initial slope equal to:-

At t

5

the base current reaches zero. The base-emitter

voltage then changes from -V

(BR)EBO

to the value -V

2

, the

level of the drive voltage. As has been demonstrated, the
collector storage time, t

s

, is an important parameter of the

drive circuit turn-off behaviour. Fig. 7(a) shows that the
value of t

s

can be calculated approximately from:-

and this expression is sufficiently accurate in practice. In
most cases the base current values are related by:-

In the case where (-I

B2

/ I

B1

) = 2, the collector storage time

is given by:-

In practical circuits, design considerations frequently
indicate a relatively small value for V

2

. The required value

of t

s

is then obtained with a small value of L

B

, and

consequently the energy stored in the inductor (1/2 L

B

I

B2

2

)

is insufficient to maintain the base-emitter junction in the
breakdown condition. Figure 7(a) shows that breakdown
should continue at least until the collector current is
completely turned off. The higher the transistor junction
temperature, the more stored energy is necessary to
maintain breakdown throughout the increased turn-off time.

These phenomena are more serious in applications where
the storage time must be short, as is the case for the BUT12
or BUW13 transistors, for example. For horizontal
deflection output transistors such as the BU508 and
BU2508, which require a much longer storage time, the
base inductance usually stores sufficient energy for correct
turn-off behaviour.

Diode assisted base inductor

It is possible to ensure the storage of sufficient turn-off
energy by choosing a relatively large value for V

2

. Where

a driver transformer is employed, there is then a
corresponding increase in V

1

. To obtain the desired value

of forward base current, the base resistance R

B

must also

be large. A large value of R

B

, however, diminishes the effect

of L

B

on the transistor turn-off behaviour, unless R

B

is

bypassed by a diode as in Fig. 8.

Fig. 8  Base drive circuit with diode-assisted series

inductor.

Fig. 9  Base drive circuit extended for improved turn-off

behaviour.

Turn-off RC network

Improved turn-off behaviour can be obtained without
increasing V

2

, if additional circuit elements are used. An

arrangement used in practice is shown in Fig. 9, and
consists of network R

3

C

3

which is connected in series with

R

B

and L

B

.

A voltage V

3

is developed across C

3

because of the forward

base current. (This voltage drop must be compensated by
a higher value of V

1

). When reverse current flows at turn-off,

the polarity of V

3

is such that it assists the turn-off drive

voltage V

2

. Using the same approximation as before, the

storage time is given by:-

The same value of t

s

now requires a larger value of L

B

. The

energy stored in L

B

is therefore greater and the transistor

can more reliably be driven into breakdown for the time
required.

The waveforms of Fig. 7(a) are equally applicable to the
circuit of Fig. 9, if V

2

is replaced by (V

2

+ V

3

). In practice V

3

will not remain constant throughout the storage time, and
replacing V

3

by its instantaneous value will make a slight

difference to the waveforms.

V

BE

= −

V

(

BR

)

EBO

V

2

+

V

(

BR

)

EBO

L

B

V

2

+

V

(

BR

)

EBO

L

B

.

t

s

=

I

B1

I

B2

I

B2

I

B1

1

to

3

t

s

=

I

B1

L

B

V

2

− (+

V

BE

(

on

)

)

t

s

=

I

B1

L

B

− (

V

2

+

V

3

) − (+

V

BE

(

on

)

)

148

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Turn-on arrangements

It has been shown that for optimum turn-on of a high voltage
switching transistor, the turn-on base current pulse must
have a large amplitude and a fast leading edge with
overshoot. However, the inductance L

B

included in the

circuits derived for optimum turn-off (Figs. 7 to 9) makes it
difficult to produce such a turn-on pulse. The additional
components (R

1

, C

1

, D

1

) in the circuit of Fig. 10(a) help to

solve this problem as shown by the waveforms of Fig. 10(b).

Fig. 10(a)  Base drive circuit extended for improved

turn-on behaviour with voltage source drive.

At the instant of turn-on, network R

1

C

1

in series with D

1

provides a steep forward base current pulse. The turn-off
network is effectively by-passed during the turn-on period
by C

1

and D

1

. The time-constant R

1

C

1

of the turn-on network

should be chosen so that the forward current pulse
amplitude is reduced virtually to zero by the time the
transistor is turned on.

The turn-on network of Fig. 10(a) can also be added to the
diode-assisted turn-off circuit of Fig. 8. In circuits which are
forward driven by a current source, the overshoot required
on the turn-on base current pulse must be achieved by
appropriate current source design.

Fig. 10(b)  Turn-on waveforms of the circuit of Fig.10(a).

Practical circuit design

The base drive circuit of Fig. 10(a) combines the drive
voltage sources +V

1

and -V

2

with circuit elements R

B

, L

B

,

R

3

C

3

and R

1

C

1

D

1

which, if correctly dimensioned, allow

optimum transient behaviour of the switching transistor. Not
all these elements, however, will be necessary in every
case for good results.

In circuits where the collector current rate of rise is limited
by collector circuit inductance, the turn-on network R

1

C

1

D

1

can be omitted without danger of excessive collector
dissipation at turn-on. In circuits where the base series
inductance L

B

is sufficiently large to give complete turn-off,

network R

3

C

3

can be omitted. Networks R

1

C

1

D

1

and R

3

C

3

are superfluous in horizontal deflection circuits which use
BU508, BU2508 transistors or similar types.

A discrete component for inductance L

B

need not always

be included, because the leakage inductance of the driver
transformer is sometimes sufficient.

The omission of R

B

from circuits which are forward driven

by a voltage source should generally be considered bad
design practice. It is, however, possible to select
component values such that the functions of R

1

C

1

and R

3

C

3

are combined in a single network.

In some cases, the circuits of Figs. 7 to 10 may generate
parasitic oscillations (ringing). These can usually be
eliminated by connecting a damping resistor R

4

between

the transistor base and emitter, as shown in broken lines
in Fig. 10(a).

Physical behaviour of high-voltage
switching transistors

Base circuit design for high-voltage switching transistors
will now be considered with respect to the physical
construction of the devices. To achieve a high breakdown
voltage, the collector includes a thick region of high
resistivity material. This is the major difference in the
construction of high and low voltage transistors.

The construction of a triple-diffused high voltage transistor
is represented schematically in Fig. 11(a). The collector
region of an n-p-n transistor comprises a high resistivity n-
region and a low resistivity n+ region. Most of the collector
voltage is dropped across the n- region. For semiconductor
material of a chosen resistivity, the thickness of the n- region
is determined by the desired collector breakdown voltage.
The thickness of the n+ region is determined by
technological considerations, in particular the mechanical
construction of the device. Fig. 11(b) shows the impurity
concentration profile of the transistor of Fig. 11(a).

149

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 11  High voltage switching transistor.

For good switching performance, the high voltage blocking
characteristic of the transistor structure must be modified
at transistor turn-on, so that a low forward voltage condition
is exhibited. One method of achieving this is to inject a large
number of carriers through the base to the collector region.
The high resistivity of the n- region is then "swamped" by
excess carriers. This effect is often referred to as a
collector-width modulation.

The following discussion of the physical changes which
occur at transistor turn-on and turn-off is based on a much
simplified transistor model; that is, the one dimensional
charge control model. Fig. 12 shows such a model of a
low-voltage

transistor,

and

assumes

a

large

free

carrier-to-doping concentration ratio in the base due to the
carriers injected from the emitter. Line

a represents the free

carrier concentration in the base for transistor operation in
the active region (V

CB

>0), and line

c that for the saturated

condition (V

CB

<0). Line

b represents the concentration at

the onset of saturation, where V

CB

=0. The slope of the free

carrier concentration line at the collector junction is
proportional to the collector current density, and therefore,
to the collector current.

Turn-on behaviour

The carrier concentration profile of a high-voltage transistor
during turn-on is shown in Fig. 13(a). Line 1 represents a
condition where relatively few carriers are injected into the
base from the emitter. Let line 1 be defined as representing
the onset of saturation for the metallurgic collector junction;
that is, point 1(C’). In this case, V

CB

=0, whereas the

externally measured collector voltage is very high because
of the voltage drop across the high-resistivity collector
region.

Fig. 12  Charge-control representation of a low-voltage

transistor:

Line 

a in the active region

Line

 b nearing the onset of saturation

Line

 c heavily saturated condition

Line 2 in Fig. 13(a) represents a high level of carrier injection
into the base from the emitter. Carriers have also
penetrated the high-resistivity collector region as far as
point 2(C’), and so the base region is now, in effect,
extended to this point and the effective width of the collector
region is reduced. The voltage drop across the collector
region, caused by the collector current which is proportional
to the concentration gradient at point 2(C’), is therefore less
than the voltage drop which occurred with the level of carrier
injection on line 1.

Lines 3, 4 and 5 represent still higher carrier injection levels,
and hence decreasing effective collector widths. The
voltage drop across the effective collector also decreases.

In the situation represented by line 6, the entire high
resistivity collector region has been flooded with excess
carriers. The collector-base voltage is therefore so low that
the transistor is effectively saturated. The low saturation
voltage has been obtained at the expense of a large base
current, and this explains why a high-voltage transistor has
a low current gain, especially at large collector currents.

Figure 13(b) shows simplified collector current/voltage
characteristics for a typical high voltage transistor. Between
lines OQ and OP, voltage V

CE

progressively decreases as

excess carriers swamp the high-resistivity collector region.
Line OP can be regarded as the ’saturation’ line.

When the transistor is turned on, the carrier injection level
increases from the very small cut-off level (not shown in
Fig. 13(a)) to the level represented by line 6 in Fig. 13(a).
The transistor operating point therefore moves from the
cut-off position along the locus shown in Fig. 13(b) to
position 6, which corresponds to line 6 in Fig. 13(a). The
effect of this process on I

C

and V

CE

is shown in Fig. 13(c),

where the time axis is labelled 0 to 6 to correspond to the

150

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 13  Turn-on behaviour of high voltage switching

transistor.

numbered positions on the operating point locus of
Fig. 13(b) and the numbered lines on the carrier
concentration diagram of Fig. 13(a).

The time taken to reach the emitter injection level 6 is
directly proportional to the turn-on time of the transistor.
The rate of build-up of emitter injection depends on the peak
amplitude and rise time of the turn-on base current pulse.
The shortest turn-on time is obtained from a large amplitude

base current pulse with a fast leading edge. Thus, physical
considerations support the conclusion already drawn from
a study of the circuit behaviour of the transistor.

Turn-off behaviour

The carrier concentration in the saturated transistor at the
beginning of the turn-off period is represented by line 0 in
Fig. 14(a), corresponding to line 6 in Fig. 13(a). As shown
in Fig. 14(b), the base current I

B

gradually decreases, but

I

C

remains almost constant for some time, and -I

E

therefore

decreases to match I

B

. The resulting carrier concentration

patterns are shown as lines 1 and 2 in Fig. 14(a). This
process is plotted against time in Fig. 14(b) where, again,
the graduation of the horizontal axis corresponds to that of
the lines in Fig. 14(a).

At time point 3 the emitter current has reduced to zero, and
is slightly negative until point 6. Thus the carrier
concentration lines 4 and 5 have negative slope. Complete
collector current cut-off is reached before point 6. (This
situation is not represented in Fig. 14).

Excess carriers present in the collector region are gradually
removed from point 0 onwards. This results in increasing
collector voltage because of the increasing effective width
of the high-resistivity collector region.

Figures 14(a) and 14(b) depict a typical turn-off process
giving good results with high voltage transistors; the
waveforms of Fig. 14(b) should be compared with those of
Figs. 3(d) and 7(a). A different process is shown in
Figs. 15(a) and 15(b). The initial situation is similar (line 0,
Fig. 15(a)) but the base current has a steep negative slope.
At time point 1 of Fig. 15(b), the emitter current -I

E

has

reached zero, and so the carrier concentration line 1 has
zero slope at the emitter junction. The emitter-base junction
is effectively cut off and only the relatively small leakage
current (not shown in Fig. 15(b)) is flowing. From point 1
onwards, therefore, the emitter has no influence on the
behaviour of the transistor. The switching process is no
longer ’transistor action’, but the reverse recovery process
of a diode. The carrier concentration pattern during this
process is shown in Fig. 15(a) in broken lines, with zero
slope at the emitter junction because the emitter is
inoperative.

The reverse recovery process is slow because of the high
resistivity of the collector region and the consequent slow
decrease of collector current. (Collector and base currents
are, of course, equal and opposite when the emitter is cut
off). The turn-off dissipation increases progressively as the
transition time from collector saturation to cut-off increases.
Furthermore, at higher junction temperatures the reverse
recovery charge, and hence the duration of the recovery
process, is greater.

151

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 14  Turn-off behaviour.

The longer the turn-off time, the greater the turn-off
dissipation and, hence, the higher the device temperature
which itself causes a further increase in turn-off time and
dissipation. To avoid the risk of thermal runaway and
subsequent transistor destruction which arises under these
conditions, the turn-off drive must be such that no part of
the turn-off is governed by the reverse recovery process of
the collector base diode. Actual transistor action should be
maintained throughout the time when an appreciable
amount of charge is present in the transistor collector and
base regions, and therefore the emitter should continue to
operate to remove the excess charge.

There are many conditions of transistor turn-off which lie
between the extreme cases of Figs. 14(a) and 15(a).
Circuits in which the operating conditions tend towards
those shown in Fig. 15(a) must be regarded as a potential
source of unreliability, and so the performance of such
circuits at elevated temperatures should be carefully
assessed.

Fig. 15  Further turn-off waveforms.

152

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

2.1.4  Isolated Power Semiconductors for High Frequency

Power Supply Applications

This section describes a 100 W off-line switcher using the
latest

component

and

application

technology

for

cost-effective miniaturisation (see Ref.1). The power supply
has a switching frequency of 500kHz with 1MHz output
ripple. The section focuses on new power semiconductor
components and, in particular, the need for good thermal
management and electrical isolation. The isolated F-pack
- SOT-186, SOT-199 and the new SOT-186A - are
introduced. Philips has developed these packages for
applications in S.M.P.S. The importance of screening to
minimise conducted R.F.I. is covered and supported with
experimental results.

Introduction

There is an ever-growing interest in high frequency power
supplies and examples are now appearing in the market
place. The strong motivation for miniaturisation is well
founded and a comprehensive range of high frequency
components is evolving to meet this important new
application area, including:-

The output filter capacitor, which was traditionally an
electrolytic type, can be replaced by the lower impedance
multi-layer ceramic type.

The output filter choke may be reduced in size and
complexity to a simple U-core with only a few turns.

The benefits of reduced transformer size can be realised
at high frequency by using core materials such as 3F3.
However, transformer size is ultimately limited by creepage
and clearance distances defined by international safety
standards.

Power MOSFETs provide the almost ideal switch, since
they are majority carrier devices with very low switching
losses. Similarly, Schottky diodes are the best choice for
the output rectifiers.

This paper concentrates on the semiconductors and
introduces three isolated encapsulations:- the ’F-packs’ -
SOT-186, SOT-186A and SOT-199 - and applies them to
high frequency S.M.P.S.

Power MOSFETs in isolated packages

Making power supplies smaller requires devices such as
MOSFETs to be used as the power switch at high
frequency. At this high frequency the size and efficiency of
the output filter can be dramatically improved. Present
abstract perception of acceptable inefficiency in power
semiconductors remains constant i.e. 5 to 10% overall
semiconductor loss at 500kHz is just as acceptable as at
50kHz. So throughout the trend to higher frequencies, the
heatsink size has remained constant.

Fig. 1  Mounting of SOT-186 and TO-220 compared.

153

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

At 50kHz it is possible to use the earthed open frame of the
power supply as the heatsink. Then all semiconductors are
laid out around the periphery of the p.c.b. and mounted with
isolation onto the heatsink. To gain the minimum overall
size from high frequency operation, this technique must
become standard practice to avoid having to leave
clearance distances between primary and secondary side
heatsinks. The component manufacturers are responding
to the need for transistors with isolation by making them
with a fully isolated package - the F-pack.

F-pack, SOT-186, is an encapsulation with a functionally
isolating epoxy layer moulded onto its header; see Fig. 1.
This allows a common heatsink to be used with no further
isolation components. With just a spring clip, an insulated
mounting (up to 1000V) of virtually all existing TO-220
components is possible without degrading performance.
Screw mounted, the SOT-186 is still simplicity itself; there
is no need for metal spacers, insulation bushes and mica
insulators. Mounted either way, the F-pack reduces
mounting hardware compared with that required for a
standard TO-220.

The insulating layer of a SOT-186 can withstand more than
1000V, but the maximum voltage between adjacent leads
is limited to 1000V. This is slightly less than the breakdown
voltage between TO-220 legs due to the distance between
the legs being reduced from 1.6mm to 1.05mm. However,
the 375

µ

m thick epoxy gives more creepage and clearance

between transistor legs and heatsink than a traditional mica
washer of 50

µ

m. The capacitive coupling to an earthed

heatsink is therefore reduced from 40pF to 13pF. This can
be of significant help with the control of R.F.I.

Fig. 2  Typical transient thermal response of SOT-186

and TO-220 packages (experimental).

The latest isolated package introduced by Philips is the
SOT-186A.

This

is

a

fully

encapsulated

TO-220

replacement which provides true isolation from the heatsink
of 2500V RMS. It is fully pin-compatible with the TO-220
package since it possesses the same distance between the
leads and the back of the tab where thermal contact is made
with the heatsink.

The transient thermal response of the SOT-186 and TO-220
encapsulations is shown in Fig. 2. A BUX84F (SOT-186)
and a BUX84 (TO-220) were used for the test. Each
transistor was mounted on a heatsink at 25˚C. The BUX84
was mounted on a mica washer. The test conditions were
given by: Mounting force = 30N; I

E

 = 1A; V

CB

 = 10V.

The thermal resistance of the F-pack is better than the
standard package in free air because it is all black and
slightly larger. The difference is quite small, 55K/W for the
SOT-186 and 70K/W for the TO-220. Mounted on a
heatsink, the typical thermal resistance of the SOT-186 is
slightly better than the standard TO-220, see Fig. 2.
However, the exact value of R

th(mb-hs)

depends on the

following:

- Whether heatsink compound is used.

- The screw’s torque or pressure on the encapsulation.

- The flatness of the heatsink.

The flatness of the TO-220 metal heatsink is more
controllable than the moulded epoxy on the back of the
SOT-186. Therefore, the use of a heatsink compound with
SOT-186 is of great importance. Once this is done the
thermal characteristics of the two approaches are similar.

Schottky diodes in isolated packages

To be consistent with the small, single heatsink approach,
the output rectifying diodes must be isolated from the
heatsink too. Schottky diodes in SOT-186 are available,
and encapsulations accommodating larger crystal sizes are
available for higher powers. The F-pack version of the larger
SOT-93 package is the SOT-199. Two Schottky diodes can
be mounted in SOT-199 for power outputs up to a maximum
of I

F(AV)

equal to 30 A. The SOT-199 package is similar to,

but larger than, the SOT-186 shown in Fig. 1, and can be
mounted similarly.

The epoxy isolation is thicker at 475

µ

m. This further

reduces the capacitive coupling to heatsink when
compared to a Schottky diode isolated with either 50

µ

m

mica or 250

µ

m alumina. Equally important is the increase

in the breakdown voltage, from a guaranteed 1000V to
1500V. As with SOT-186, the use of heatsink compound is
advised to give good thermal contact.

In conclusion, the combination of isolated packages allows
an S.M.P.S. to be designed with many devices thermally
connected to, but electrically isolated from, a single
common heatsink.

154

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Transistor characteristics affecting choice
of high frequency converter

In this exercise only MOSFETs were considered practical
for the target operating frequency of 500kHz. The range of
converters to choose from is enormous if all the resonant
circuits are included. The choice in this case is reduced by
considering only the square wave types because:-
• The p.w.m technique is well understood.
• The main output is easily controlled over a wide range of

input voltages and output loads.

• A resonant tank circuit, which may increase size, is not

needed.

It is recognised that there are many situations and
components which equally affect the choice of converter.
The transformer component has been studied in Ref. 1. For
maximum power through the transformer in a mains input,
500kHz, 100W power supply, a half-bridge converter
configuration was chosen. The influence of the transistor
is now examined.

The relationship of on-resistance R

DS(on)

, with drain-source

breakdown voltage, V

(BR)DSS

, has been examined in Ref. 2.

It was shown that R

DS(on)

is proportional to V

(BR)DSS

raised to

the power 2. This implies equal losses for equal total silicon
area. The advantage is therefore with the forward / flyback
circuits because they have easier drive arrangements and
often only require one encapsulation. Particular attention
is paid to the frequency dependent losses, which are now
considered.

C

OSS

 and the loss during turn-on

No matter how fast the transistor is switched in an attempt
to avoid switching losses, there are always capacitances
associated with the structure of the transistor which will
dissipate energy each time the transistor is turned on and
off. For a BUK456-800A, 800V MOSFET of 20mm

2

chip

area, the turn-off waveform is shown in Fig. 3.

All loads have been reduced to nearly zero to highlight the
turn-on current spike due to the capacitance of the circuit.
The discharge of the output capacitance of the device will
be similar but is unseen by the oscilloscope because it is
completely internal to the device. The discharge of the
energy is done in two different stages:-

Stage 1 - From the flyback voltage to the D.C link voltage.

This energy is mainly either returned to the supply or
clamped in the inductance of the transformer by the
secondary diodes, which release it to supply the load when
the primary switch turns on. This energy is not dissipated
in the power supply.

Stage 2 - From the link voltage to the on-state voltage.

This energy is dissipated in the transistor when it turns on.
The calculation of the effective output capacitance at this
voltage involves integration to take into account the varying
nature of the capacitance with the applied drain voltage.
The general expression for energy stored in the output
capacitance of a MOSFET is:-

For a BUK456-800A switching on with V

DS

= 325V, the

energy is 1.6

µ

J. Gate to drain capacitance is not taken into

account but would probably add about 20% extra
dissipation to take it to 1.9

µ

J. This is for a transistor

operating in a fixed frequency flyback, forward, or push-pull
converter. A transistor in the half bridge circuit switches on
from half the line voltage and so the losses in each transistor
would be approximately a quarter of those in the previous
converters. In self-oscillating power supplies the transistor
switches on from 750 V. This would dissipate all of the stage
(1) energy as well and so that could make approximately
four times the loss in the transistor in this configuration. This
example of a BUK456-800A operating at 500kHz, in a fixed
frequency forward, flyback, or push pull system would
dissipate 0.95 W internal to the device.

Stray capacitance around the circuit includes mounting
base to heatsink capacitance, which for a ceramic isolator
is 18pF. The energy for this is simply calculated by using
0.5 CV

2

, and is 1

µ

J when charged to 325 V. F-pack reduces

this by about a factor of two.

Fig. 3  MOSFET voltage and current waveforms in a

forward converter.

In conclusion, the fixed frequency half-bridge system
benefits from discharging from only half the d.c. link voltage
and is the best choice to minimise these effects. There are
two switches, so the overall benefit is only half, but the
thermal resistance is also half, so the temperature rise of

E

=

3.3

C

oss

(

25V

)

V

d

1.5

155

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

each transistor is actually four times less than in a forward
converter. This makes this internal loss at 500kHz, 0.25 W
in each transistor.

C

ISS

 and drive circuit losses

It is common to drive MOSFETs from a voltage source,
through a series gate resistor. This gate resistor is seen
usually to dampen stray inductance ringing with the gate
capacitance during turn-on and turn-off of the transistor.
This effectively prevents spurious turn-on. The resistor has
another function when operating at a frequency of 500kHz,
and that is to remove the dissipation of the energy of the
gate capacitance from inside to outside the transistor. This
is important because at frequencies in the MHz region the
dissipation becomes the order of 1 W. A graph of charging
the gate with a constant 1mA current source is shown in
Fig. 4. The area under the curve was measured as 220

µ

Vs.

Therefore, at 10kHz, the power dissipation is 2mW and at
10MHz, 2W.

BUK455-500A

Fig. 4  Change of gate voltage with time for a power

MOSFET with a 1mA constant charge current.

If the system chosen has two transistors, as in the
half-bridge, then the dissipation will be doubled. Therefore,
a single transistor solution is the most efficient to minimise
these losses.

Concluding this section on the significant transistor
characteristics, the power loss due to discharging internal
MOSFET capacitances is seen to become significant
around 500kHz to 1MHz, affecting the efficiency of a 100W
converter. The predominant loss is output capacitance,
which is discharged by, and dissipated in R

DS(on)

. Converters

which reduce this loss are those which switch from a lower
V

DS

, i.e.:-

•  Resonant converters which switch at zero voltage.

•  Converters designed for rectified 110V a.c. mains rather

than 230V a.c. mains.

•  Square-wave converters which use a half-bridge

configuration rather than forward, flyback, or push-pull
circuits.

Self oscillating power supplies give higher losses because
they discharge from the flyback voltage of 750V at turn-on.

SMPS design considerations

There are two major areas which influence the choice of
converter to be considered here:-

- multiple outputs

- R.F.I.

The influence of multiple outputs on the
choice of converter.

If only one output is required then the half-bridge would be
selected to minimise the loss due to output capacitance, as
described above.

If multiple outputs are specified, and some of these require
rectifying diodes other than Schottky diodes, then the
switching loss of power epitaxial diodes has to be
considered. Before the arrival of 100V Schottky diodes,
epitaxial diodes would have been a natural first choice for
outputs higher than 5V. However, a 12V auxiliary output
often has less current than a 5V output, so MOSFETs can
compete better on forward volt drop. Then there is switching
loss: a MOSFET can have less loss than an epitaxial diode,
but the actual frequency at which it becomes effective is
debatable.

Synchronous MOSFET rectifiers were first seen as a threat
to Schottky diodes for use in low voltage outputs. They could
rectify with less forward volt drop, albeit sometimes at a
cost. MOSFET rectifiers are now more of a threat to epitaxial
diodes in higher voltage outputs above 15 to 20V. Applying
these transistors is not as straightforward as it may first
appear. Looking at flyback, forward and bridge outputs in
turn:-

Flyback converter

A diode rectified output is replaced by a MOSFET, with no
extra components added, (Fig. 5). Putting the transistor in
the negative line and orientating it with the cathode of the
parasitic diode connected to the transformer allows it to be
driven well and does not threaten the gate oxide isolation.
If the drive is slowed down by the addition of a gate resistor,
the voltage across R

DS

during transient switching can be

large enough such that, when added to the output voltage,
gives V

GS

greater than that recommended in data. Fast

turn-on is therefore essential for the good health of the
transistor.

156

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 5  Flyback and Forward converters with Synchronous Rectification.

Forward converter

Normal diode rectifiers are replaced by MOSFETs in a
forward output, as shown in Fig. 5, with no extra
components added. However, there is a problem at
maximum input voltage. At minimum volts, the transformer
winding supplies V

out

 + V

choke

, where:-

V

out

 = V

choke

 = 12V  (for a 12V output)

at 50% mark/space ratio.

V

trans

 = 24V

At maximum input volts, the choke may have 2 or 3 times
the voltage across it, which makes the total 36V or 48V.
With the gate rated at 20V, the choke is necessary for the
forward transistor, as shown in Fig. 5, to supply the correct
voltage. It may also be necessary for the freewheel diode,
but this may be marginal depending on the input voltage
range specified. This costs even more money, but may be
considered good value if the loss in an epitaxial diode costs
too much in efficiency.

Bridge converters

The circuit shown in Fig. 6 at first glance looks attractive.
Parasitic diodes are arranged never to come on, and thus
do not cause switching losses themselves. Also, the choke
voltage drop is less than in the forward case, which may
indicate that the MOSFETs can be used without extra
overwinds to protect the gate voltage.

However, the simple drive waveforms used here, which are
naturally synchronised to the primary switches, do not bias
the rectifying transistors on when both the switches are off.
During this time the transformer magnetising currents need
a path to freewheel around. Normally this path is provided
by the diodes. When the drive has been removed in the
circuit example of Fig. 6, this path no longer exists. To turn

the transistor around so that their body diode can conduct
during this freewheel time would only give diode turn-off
loss, which is what the technique is intended to avoid. Any
bypass diode has the same drawback. The correct drive
waveforms are not even available from the choke. They can
be generated most easily in conjunction with the primary
switch waveforms, but involves expensive isolating drive
toroids.

The conclusions on which converters are most suitable,
and how to connect the MOSFETs in the most cost-effective
manner for a 12V output are:-

•  A flyback MOSFET rectifier can be connected with no

extra components.

•  A forward MOSFET needs one overwind, maybe two.

•  A bridge output requires drive toroids whose signal is not

easily derivable from the secondary side waveforms.

Fig. 6  Half-Bridge converter with Synchronous

Rectification.

157

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Even though MOSFETs may have less switching loss than
epitaxial diodes, they do have capacitance discharged each
cycle. The only consolation is that it has a built-in
’anti-snap-off’ feature. If the rectifiers are switching at low
V

DS

then this loss is indeed very low.

Influence of R.F.I. on the choice of
converter

This section deals with R.F.I. considerations of primary
switches and secondary rectifying diodes only. The
techniques will be applied to a power supply operating at
500kHz that has been developed to deliver a single 5V
output at 15A, from 250V a.c. mains input. The converter
choice is a half bridge circuit to minimise the loss in the
circuit due to C

OSS

.

A single heatsink arrangement is required to minimise size,
so primary and secondary semiconductors need to be
thermally cooled on the same heatsink. R.F.I. currents need
to be prevented from coupling primary to secondary through
the heatsink. Connection of R.F.I. screens underneath all
components attached to the metal is not necessary when
the structure of the semiconductors is understood.

Taking the rectifiers first:-

The arrangement of the output bridge is shown in Fig. 7.
The cathodes of the diodes are connected to the substrate
within their encapsulation. Thus, as long as the cathodes
are connected as close as possible to the ceramic
capacitor,

C3,

of

the

output

filter,

the

common

cathode/capacitor junction is a solid a.c. earth point.
Therefore, no R.F.I. currents are connected into the
common heatsink. An isolated encapsulation for an
electrical arrangement such as this is all that is needed to
minimise R.F.I. from diodes to heatsink.

Considering next the primary power transistors:-

The arrangement of power transistors is also shown in
Fig. 7. The drains of the transistors are connected to the
substrates of their encapsulations. Thus, as long as TR1 is
connected as close as possible to the film-foil bridge
capacitors, C1 and C2, the common drain/capacitor
junction is a solid a.c. earth point. A SOT-186, SOT-186A,
SOT-199 or TO-220 with mica washers may be suitable for
TR1, the final selection being dependent on the isolation
requirements. For TR2, the drain and therefore the
substrate is modulated by the action of the circuit. Thus,
without preventive action, R.F.I. currents will be coupled to
the heatsink.

Fig. 7  Half-Bridge converter power stage.

The transistor TR2 is in a similar situation to one in a flyback
or forward configuration. A simple solution is to use a
SOT-186 (F-pack), plus copper screen connected to the
transistor source lead and the film-foil capacitor, C2, plus
whatever degree of isolation is required to the heatsink.
This assembly was tested, and the result was that the
screen reduced the line R.F.I. peaks by an average of 10dB
over the range 500kHz to 10MHz. A small percentage of
this can be attributed to the distance that the copper screen
moves the substrate away from the heatsink. Nevertheless,
the majority is due to the inclusion of the 0.1mm thick copper
screen.

The conclusion is that a variety of encapsulations is
necessary to allow R.F.I. to be minimised when the power
supply is constructed.

Conclusions

This paper shows how to calculate some of the limiting
parameters in the application of semiconductors to high
frequency SMPS. It also highlights new encapsulations
developed

for

high

frequency

power

conversion

applications. Some of the range of encapsulations were
demonstrated in a 500kHz half-bridge off-line switcher.

References

1. Improved ferrite materials and core outlines for high
frequency power supplies. Chapter 2.4.1

2. PowerMOS introduction. Chapter 1.2.1

158

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Output Rectification

159

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

2.2.1  Fast Recovery Epitaxial Diodes for use in High Frequency

Rectification

In the world of switched-mode power supply (S.M.P.S.)
design, one of the most pronounced advances in recent
years has been the implementation of ever increasing
switching frequencies. The advantages include improved
efficiency and an overall reduction in size, obtained by the
shrinking volume of the magnetics and filtering components
when operated at higher frequencies.

Developments in switching speeds and efficiency of the
active

switching

power

devices

such

as

bipolars,

Darlingtons and especially power MOSFETs, have meant
that switching frequencies of 100kHz are now typical. Some
manufacturers are presently designing p.w.m. versions at
up to 500kHz, with resonant mode topologies (currently an
area of intensive academic research) allowing frequencies
of 1MHz and above to be achievable.

These changes have further increased demands on the
other fundamental power semiconductor device within the
S.M.P.S. - the power rectification diode.

Key Rectifier Characteristics.

In the requirements for efficient high frequency S.M.P.S.
rectification, the diode has to meet the following critical
requirements:-

- Short reverse recovery time, t

rr

,for compatibility with high

frequency use.

- Low forward voltage drop, V

F

, to maximise overall

converter efficiency.

- Low loss switching characteristics, which reduce the

major frequency dependent loss in the diode.

- A soft reverse recovery waveform, with a low dI

R

/dt rate,

reduces the generation of unwanted R.F.I. within the
supply.

The Philips range of fast recovery epitaxial diodes (FREDs)
has been developed to meet the requirements of high
frequency, high power rectification. With many years’
experience in the development of epitaxial device
technology, Philips offers a comprehensive range of
FREDs. Some of their standard characteristics include:-

- A reverse blocking voltage range from 100V to 800V, and

forward current handling capability from 1A to 30A. Thus,
they are compatible for use in a wide range of S.M.P.S.
applications, from low voltage dc/dc converters right
through to off-line ac/dc supplies. Philips epitaxial diodes
are compatible with a range of output voltages from 10V
to 200V, with the capability of supplying a large range of
output powers. Several different package outlines are
also available, offering the engineer flexibility in design.

- Very fast reverse recovery time, t

rr

, as low as 20ns,

coupled with inherent low switching losses permits the
diode to be switched at frequencies up to 1MHz.

- Low V

F

values, typically 0.8V, produce smaller on-state

diode loss and increased S.M.P.S. efficiency. This is
particularly

important

for

low

output

voltage

requirements.

- Soft recovery is assured with the whole range of FREDs,

resulting in minimal R.F.I. generation.

Structure of the power diode

All silicon power diodes consist of some type of P-I-N
structure, made up of a highly doped P type region on one
side, and a highly doped N+ type on the other, both
separated by a near intrinsic middle region called the base.
The properties of this base region such as width, doping
levels and recombination lifetime determine the most
important diode characteristics, such as reverse blocking
voltage capability, on-state voltage drop V

F

, and switching

speed, all critical for efficient high frequency rectification.

 

(a)

(b)

(c)

(d)

Fig. 1  Main steps in epitaxial diode process.

n

Epitaxial layer

Wafer

n+

n

n+

p-diffusion

n

n+

Full mesa passivation

n

n+

p

metal

glass

metal

161

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

A high blocking voltage requires a wide lightly doped base,
whereas a low V

F

needs a narrow base. Using a short base

recombination lifetime produces faster recovery times, but
this also increases V

F

. Furthermore, in any P-N junction

rectifier operating at high currents, carrier injection into the
base takes place from both the P and N+ regions, helping
to maintain a low V

F

.

Technology

High voltage power diodes are usually manufactured using
either double-diffused or an epitaxial technology. High
injection efficiency into the base coupled with a narrow base
width are essential for achieving a low V

F

. High injection

efficiency requires the slope of the diffusion profile at the
P

+

N and N

+

N junctions to be very steep. Achieving a

minimum base width requires very tight control of the lightly
doped base layer. Both these criteria can be met using
epitaxial technology.

Epitaxial process

The epitaxial method involves growing a very lightly doped
layer of silicon onto a highly doped N+ type wafer; see
Fig. 1(a). A very shallow P type diffusion into the epi layer
is then made to produce the required P-I-N structure
(Fig. 1(b)). This gives accurate control of the base thickness
such that very narrow widths may be produced. Abrupt
junction transitions are also obtained, thus providing for the
required high carrier injection efficiency. The tighter control
of width and junction profile also provides a tighter control
of Q

s

, hence, the switching recovery times are typically ten

times faster than double diffused types.

Fig. 2  Comparison of diffusion profiles.

(a) fast recovery epitaxial diode

(b) standard double diffused type

Double-diffused process

Double diffusion requires deep diffusions of the P+ and N+
regions into a slice of lightly doped silicon, to produce the
required base width. This method is fraught with tolerance
problems, resulting in poor control of the base region. The
junction transitions are also very gentle, producing a poor
carrier injection efficiency. The combination of the two

produces a higher V

F

value, and also a poor control of stored

charge Q

s

in the base, leading to a relatively slow switching

speed.

Figure 2 gives a comparison of the diffusion profiles for the
two methods.

Lifetime control

To achieve the very fast recovery time and low stored
charge, Q

s

, required for high frequency rectification, it is

necessary to introduce lifetime killing (gold doping) into the
base of the diode. This produces a lower Q

s

and faster

reverse recovery time, t

rr

. Unfortunately, doping also has

the effect of increasing V

F

. Fig. 3 shows a graph of

normalised V

F

versus the minority carrier lifetime for a 200V

and 500V device. It can be seen that there is an optimum
lifetime for each voltage grade, below which the V

F

increases dramatically.

Philips has been using gold-killing techniques for well over
twenty years, and combining this with epitaxial technology
results in the excellent low V

F

, t

rr

and Q

s

combinations found

in the FRED range.

Fig. 3  Normalised V

F

 versus minority carrier lifetime.

Passivation

To ensure that the maximum reverse blocking potential of
the diode is achieved, it is necessary to ensure that high
fields do not occur around the edges of the chip. This is
achieved by etching a trough in the epitaxial layer and
depositing a special glass into it (Fig. 1(c)). Known as full
mesa glass passivation, it achieves stable reverse blocking
characteristics at high voltages by reducing charge
build-up, and produces a strong chip edge, reducing the
risk of assembly damage. This means that the diodes are
rugged and reliable, and also allows all devices to be fully
tested on-slice.

200V

500V

*

*

100

10

minority carrier lifetime (nsec)

1.0

normalised Vf

increasing

Depth

Doping 
density

p

n

n+

Epitaxial
device

(a)

Depth

Doping 

density

p

n

n+

Double

diffused

type

(b)

162

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Finally, Fig. 1(d) shows the chip after it has been diced and
metallised. The rectifier is then assembled into a wide
selection of different power packages, the standard TO-220
outline being one example.

Characteristics

Forward conduction loss

Forward conduction loss is normally the major component
of power loss in the output rectification diodes of an
S.M.P.S. For all buck derived output stages, for example
the forward converter shown in Fig. 4, the choke current
always flows in one or other of the output diodes (D1 and
D2).

Fig. 4  Forward converter schematic.

The output voltage is always lowered by the diode forward
voltage drop V

F

such that:-

Where D is the transistor duty cycle. Thus, the resulting
power loss due to V

F

of the output rectifiers is:-

where I

o

is the output load current of the converter. The loss

as a percentage of the output power is thus:-

This loss in efficiency for a range of standard S.M.P.S.
outputs is shown in Fig. 5. It is clear that V

f

needs to be kept

to an absolute minimum particularly for low output voltages
if reasonable efficiency is to be achieved.

To accommodate variations in the input voltage, the output
rectifiers are usually chosen such that their blocking voltage
capability is between 4 and 8 times the output voltage. For
the lowest output voltages, Schottky diodes should be the
first choice. Unfortunately, the characteristically low V

f

of

the Schottky cannot be maintained at voltages much higher
than 100V. For outputs above 24V, fast recovery epitaxial
diodes are the most suitable rectifiers.

Fig. 5  Percentage S.M.P.S. loss versus V

for some

standard output voltages.

Figure 6 shows an example of V

F

versus forward current I

F

for the Philips BYV32 series, rated from 50V to 200V and
with a maximum output current of 20A. This reveals the low
V

F

values typical of the epitaxial technique.

From Fig. 6 and equation 2, it is possible to estimate the
loss due to the output rectifiers in an S.M.P.S. For example,
for a 12V, 20A output, a conduction loss of 17W typical and
20W maximum is obtained. This corresponds to a worst
case loss of 8% of total output power, normally an
acceptable figure.

Philips devices offer some of the lowest V

F

values on the

market. Maximum as well as typical values are always
quoted at full rated currents in the datasheets. However this
is not the case with all manufacturers, and care should be
taken when comparing Philips devices with those of other
manufacturers.

V

f

I

o

V

o

I

o

=

V

f

V

o

(

3

)

C1

TR1

D1

D2

D3

L1

C2

prim

sec

Vi

Vo

Vp

Vs

Ip

Is

drive

Simple forward converter circuit

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

100 

10 

Diode forward voltage Vf (volts)

Percentage(%) loss

5 V

O/P

10 V
12 V

20 V

24 V

48 V

Vs

time

I

I

D1

D2

time

time

Secondary voltage and diode current waveforms

reverse recovery

spike

at Vin max

at Vin min

Typ

5 x Vo

T

V

o

+

V

f

=

V

s

D

(

1

)

P

on

loss

=

V

f

I

o

(

2

)

163

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

- - - -  150˚C, 

 25˚C

Fig. 6  V

F

 vs I

F

 for the Philips BYV32 series.

Reverse recovery

a) Q

S

, t

rr

 and I

rrm

Following V

F

, the most important feature of a high frequency

rectifier is the reverse recovery characteristic. This affects
S.M.P.S. performance in several ways. These include
increased diode switching loss, higher peak turn-on current
and dissipation in the power transistors, and increased
generation of electro-magnetic interference (e.m.i.) and
voltage transient oscillations in the outputs. Clearly, the
rectifier

must

have

optimum

reverse

recovery

characteristics to keep this catalogue of effects to a
minimum.

When the P-N diode is conducting forward current, a charge
is built up in the base region, consisting of both electrons
and holes. It is the presence of this charge which is the key
to achieving low V

f

. The higher the forward current, the

greater is this stored charge. In order to commutate the
diode (i.e switch the device from forward conduction into
reverse blocking mode) this charge has to be removed from
the diode before the base can sustain any reverse blocking
voltage. The removal of this charge manifests itself as a
substantial transient reverse current spike, which can also
generate a reverse voltage overshoot oscillation across the
diode.

The waveforms of the reverse recovery for a fast rectifier
are shown in Fig. 7. The rectifier is switched from its forward
conduction at a particular rate, called dI

F

/dt. Stored charge

begins to be extracted after the current passes through
zero, and an excess reverse current flows. At this point the
charge is being removed by both the forcing action of the
circuit, and recombination within the device (dependent
upon the base characteristics and doping levels).

At some point the charge has fallen to a low enough level
for a depletion region to be supported across the base, thus
allowing the diode to support reverse voltage. The peak of
reverse current, I

rrm

occurs just after this point. The time for

the current to pass through zero to its peak reverse value
is called t

a

. From then on, the rectifier is in blocking mode,

and the reverse current then falls back to zero, as the
remainder of the stored charge is removed mostly by
recombination. The time for the peak reverse current to fall
from its maximum to 10% of this value is called t

b

.

Fig. 7  Rectifier diode reverse recovery waveforms.

The stored charge, Q

s

, is the area under the current-time

curve and is normally quoted in nano-Coulombs. The sum
of t

a

and t

b

is called the rectifier reverse recovery time, t

rr

and gives a measure of the switching speed of the rectifier.

Factors influencing reverse recovery

In practice, the three major parameters t

rr

, Q

s

and I

rrm

are

all dependent upon the operating condition of the rectifier.
This is summarised as follows:-

•  Increasing the forward current, I

F

, increases t

rr

, Q

s

and

I

rrm

.

•  Increasing the dI

F

/dt rate by using a faster transistor and

reducing stray inductance, significantly decreases t

rr

, but

increases Q

s

and I

rrm

. High dI

F

/dt rates occur in the high

frequency square wave switching found in S.M.P.S.
applications. (MOSFETs can produce very small fall
times, resulting in very fast dI

F

/dt).

•  Increasing diode junction temperature, T

j

increases all

three.

•  Reducing the reverse voltage across the diode, V

r

, also

slightly increases all three.

If

If

dIf

dt

Qs

t

trr

10%

dIr

dt

Vf

V

RM

I

RRM

current

voltage

V

R

0

I

R

ta

tb

164

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Specifying reverse recovery

Presently, all manufacturers universally quote the t

rr

figure

as a guide. This figure is obtained using fixed test
procedures. There are two standard test methods normally
used:-
Method 1
Referring to the waveform of Fig. 7:
I

F

= 1A; dI

F

/dt =50A/

µ

sec; V

r

> 30V; T

j

= 25˚C.

t

rr

is measured to 10% of I

rrm

.

Fig. 8  E.I.A. t

rr

 test procedure.

Method 2
I

F

= 0.5A, the reverse current is clamped to 1A and t

rr

is

measured to 0.25A.
This is the Electronics Industries Association (E.I.A.) test
procedure, and is outlined in Fig. 8.

The first and more stringent test is the one used by Philips.
The second method, used by the majority of competitors
will give a t

rr

figure typically 30% lower than the first, i.e. will

make the devices look faster. Even so, Philips have the
best t

rr

/ Q

s

devices available on the market. For example,

the Philips BYW29 200V, 8A device has a t

rr

of 25ns, the

competitor devices quote 35ns using the easier second test.
This figure would be even higher using test method 1.

Reverse recovery is specified in data by Philips in terms of
all three parameters t

rr

, Q

s

and I

rrm

. Each of these

parameters however is dependent on exact circuit
conditions. A set of characteristics is therefore provided
showing how each varies as a function of dI

f

/dt, forward

current and temperature, Fig. 9. These curves enable
engineers to realise what the precise reverse recovery
performance will be under circuit operating conditions. This
performance will normally be worse than indicated by the
quoted figures, which generally speaking do not reflect
circuit conditions. For example, a BYW29 is quoted as
having a t

rr

of 25 ns but from the curves it may be as high

as 90 ns when operated at full current and high dI

F

/dt.

Similarly a quoted Q

s

of 11 nC compares with the full current

worst case of 170 nC.

In the higher voltage devices (500V and 800V types) t

rr

and

Q

s

are much higher, and will probably be the most critical

parameters in the rectification process. Care must be taken
to ensure that actual operating conditions are used when
estimating more realistic values.

Frequency range

Figure 10 compares the recovery of a Philips 200V FRED
with a double diffused type. The FRED may be switched
approximately 10 times faster than the double diffused type.
This allows frequencies of up to 1MHz to be achieved with
the 200V range.

If

0.5A

1.0A

I

R

0

0.25A

t

RR

clamped  I

R

time

Fig. 9  Reverse recovery curves for BYW29.

1

10

10

2

1

10

10

2

10

3

Tj = 25 C

Tj = 100 C

trr

(ns)

(a) Maximum trr

If=10A

5A 1A

1A

5A

10A

dIf/dt (A/us)

1

10

10

2

1

10

10

2

10

3

Qs

(nC)

If=10A

5A

2A

10A

5A

2A

1A

Tj = 25 C

Tj = 100 C

dIf/dt (A/us)

(b)  Maximum Qs

1

10

10

2

Tj = 25 C

Tj = 100 C

10

1

0.1

0.01

I

RRM

(A)

(c) Maximumm I

RRM

If=10A

5A

2A

1A

1A

2A

5A

10A

dIf/dt (A/us)

165

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

In the higher voltage devices where the base width is
increased to sustain the reverse voltage, the amount of
stored charge increases, as does the t

rr

. For a 500V device,

500kHz operation is possible, and for 800V typically 200kHz
is realistic.

Fig. 10  Comparison of reverse recovery of FRED vs

double diffused.

(a) Philips 200V FRED.

(b) Double-diffused diode.

Effects on S.M.P.S operation

In order to analyse the effects of reverse recovery on the
power supply, a simple non-isolated buck converter shown
in Fig. 11 is considered. The rectifier D1 in this application
is used in freewheel mode, and conducts forward current
during the transistor off-time.

Fig. 11  Buck converter.

The waveforms for the diode and transistor switch during
the reverse recovery of the diode when the transistor turns
on again are given in Fig. 12.

As the transistor turns on, the current ramps up in the
transistor as it decays and reverses in the diode. The dI

F

/dt

is mainly dependent on the transistor fall time and, to some
extent, the circuit parasitic inductances. During the period
t

a

the diode has no blocking capability and therefore the

transistor must support the supply voltage. The transistor
thus simultaneously supports a high voltage and conducts

both the load current and the reverse recovery current,
implying a high internal power dissipation. After time t

a

the

diode blocking capability is restored and the voltage across
the transistor begins to fall. It is clear that a diode with an
I

rrm

half the value of I

F

will effectively double the peak power

dissipation in the transistor at turn-on. In severe cases
where a high I

rrm

 / t

rr

rectifier is used, transistor failure could

occur by exceeding the peak current or power dissipation
rating of the device.

Fig. 12  Reverse recovery diode and transistor

waveforms.

There is also an additional loss in the diode to be
considered. This is a product of the peak I

rrm

and the diode

reverse voltage, V

r

. The duration of current recovery to zero

will affect the magnitude of the diode loss. However, in most
cases the additional transistor loss is much greater than the
diode loss.

Diode loss calculation

As an example of the typical loss in the diode, consider the
BYW29, 8A, 200V device as the buck freewheel diode, for
the following conditions:-

I

F

 = 8A;  V

r

 =100V; dI

F

/dt = 50A/

µ

s;

T

j

 = 25˚C; duty ratio D = 0.5; f = 100KHz.

The diode reverse recovery loss is given by:-

From the curves of Fig. 7, t

rr

=35ns, I

rrm

= 1.5A. Assuming t

b

= t

rr

/2 gives:

(A)

(B)

1A/div

50ns/div

0A

0A

Irrm

t

t

t

t

Transistor

switch

waveforms

Transistor

loss

Diode

waveforms

Diode

loss

Vsw

Isw

Psw

Id

Vd

Pd

0

0

0

0

additional

turn-on

loss

diode

reverse recovery

loss

ta

tb

trr

Vin

Vo

L1

D1

Co

TR1

P

rr

=

1
2

V

r

I

rrm

t

b

f

P

rr

=

1
2

100

1.5

17.5

100k

=

132mW

166

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

This is still small compared to the diode V

F

conduction loss

of

approximately

3.6 W.

However,

at

T

j

=100˚C,

dI

F

/dt=100A/

µ

s and f=200kHz, the loss becomes 1.05W,

which is fairly significant. In the higher voltage devices
where t

rr

and I

rrm

are significantly worse, then the frequency

dependent switching loss will tend to dominate, and can be
higher than the conduction loss. This will limit the upper
frequency of operation of the diode.

The turn-on current spike generated in the primary circuits
due to diode reverse recovery can also seriously affect the
control of the S.M.P.S. when current mode control is used
(where the peak current is sensed). An RC snubber is
usually required to remove the spike from the sense inputs.
Good reverse recovery removes the need for these
additional components.

b) Softness and dI

R

/dt

When considering the reverse recovery characteristics, it
is not just the magnitude (t

rr

and I

rrm

) which is important, but

also the shape of the recovery waveform. The rate at which
the peak reverse current I

rrm

falls to zero during time t

b

is

also important. The maximum rate of this slope is called
dI

R

/dt and is especially significant. If this slope is very fast,

it will generate significant radiated and conducted electrical
noise in the supply, causing R.F.I. problems. It will also
generate high transient voltages across circuit inductances
in series with the diode, which in severe cases may cause
damage to the diode or the transistor switch by exceeding
breakdown limits.

Fig. 13  "Soft" and "snappy" reverse recovery.

A diode which exhibits an extremely fast dI

R

/dt is said to

have a "snap-off" or "abrupt" recovery, and one which
returns at a relatively smooth, gentle rate to zero is said to
have a soft recovery. These two cases are shown in the
waveforms in Fig. 13. The softness is dependent upon
whether there is enough charge left in the base, after the
full spread of the depletion region in blocking mode, to allow
the current to return to zero smoothly. It is mainly by the
recombination mechanism that this remaining charge is
removed during t

b

.

Maintaining t

b

at a minimum would obviously give some

reduction to the diode internal loss. However, a snappy
rectifier will produce far more R.F.I. and transient voltages.
The power saving must therefore be weighed against the

additional cost of the snubbers and filtering which would
otherwise be required if the rectifier had a snappy
characteristic.

The frequency range of R.F.I. generated by dI

R

/dt typically

lies in the range of 1MHz to 30MHz, the magnitude being
dependent upon how abrupt the device is. One secondary
effect that is rarely mentioned is the additional transformer
losses that will occur due to the extremely high frequencies
generated inside it by the diode recovery waveform. For
example, core loss at 10MHz for a material designed to
operate at 100kHz can be significant. There will also be
additional high frequency loss in the windings due to the
skin effect. In this case the use of a soft device which
generates a lower frequency noise range will reduce these
losses.

Characterising softness

A method currently used by some manufacturers to
characterise the softness of a device is called the softness
factor, S. This is defined as the ratio of t

b

over t

a

.

An abrupt device would have S much less than 1, and a
soft device would have S greater than 1. A compromise
between R.F.I. and diode loss is usually required, and a
softness factor equal to 1 would be the most suitable value
for a fast epitaxial diode.

Fig. 14  Different diode dI

R

/dt rates  for same softness

factor.

Although the softness factor does give a rough guide to the
type of recovery and helps in the calculation of the diode
switching loss, it does not give the designer any real idea
of the dI

R

/dt that the rectifier will produce. Hence, levels of

R.F.I. and overvoltages could be different for devices with
the same softness factor. This is shown in Fig. 14, where
the three characteristics have the same softness factor but
completely different dI

R

/dt rates.

In practice, a suitable level for dI

R

/dt would be to have it

very similar in magnitude to dI

F

/dt. This would keep the

noise generated to a minimum.

softness factor

,

S

=

t

b

t

a

t

t

Irrm

Irrm

Snap-off

recovery

soft

recovery

(a)

(b)

I

I

ta

tb

ta

tb

ta

tb

(a)

(b)

(c)

167

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

At present there is no universal procedure used by
manufacturers to characterise softness, and so any figures
quoted must be viewed closely to check the conditions of
the test.

Comparison with competitor devices

Figure 15 compares a BYV32 with an equivalent competitor
device. This test was carried out using an L.E.M. Q

s

test

unit.

The conditions for each diode were identical. The results
were as follows:-

Fig. 15  Comparison of softness of reverse recovery.

(a) Philips BYV32 200V 8A device

(b) Equivalent competitor device

BYV32:-

S = 1.2, dI

R

/dt = 40A/

µ

s,

Voltage overshoot = 5V

Competitor:-

S = 0.34, dI

R

/dt = 200A/

µ

s,

Voltage overshoot = 22V

For the Philips device, apart from the very low Q

s

and I

rrm

values obtained, the S factor was near 1 and the dI

R

/dt rate

was less than the original dI

F

/dt of 50A/

µ

s. These excellent

parameters produce minimal noise and the very small
overshoot voltage shown. The competitor device was much
snappier, the dI

R

/dt was 4 times the original dI

F

/dt, and

caused a much more severe overshoot voltage with the
associated greater R.F.I. The diode loss is also higher in
the competitor device even though it is more abrupt, since
Q

s

and I

rrm

are larger.

The low Q

s

of the Philips FRED range thus maintains diode

loss to a minimum while providing very soft recovery. This
means using a Philips type will significantly reduce R.F.I.
and dangerous voltage transients, and in many cases
reduce the power supply component count by removing the
need for diode snubbers.

Forward recovery

A further diode characteristic which can affect S.M.P.S.
operation is the forward recovery voltage V

fr

. Although this

is not normally as important as the reverse recovery effects
in rectification, it can be particularly critical in some special
applications.

Fig. 16  Forward recovery characteristics.

I

V

20ns/div

(a)

If =8A

Tj = 25 C

Vr = 30V

1A/div

10V/div

dIf/dt = 50A/usec

V

I

1A/div

10V/div

20ns/div

(b)

If = 8A

Tj = 25 C

Vr = 30V

dIf/dt = 50A/usec

10%

90%

If

tr

100% 110%

t fr

Vf

t

t

0

0

Vfrm

168

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Forward recovery is caused by the lack of minority carriers
in the rectifier p-n junction during diode turn-on. At the
instant a forward bias is applied, there are no carriers
present at the junction. This means that at the start of
conduction, the diode impedance is high, and an initial
forward voltage overshoot will occur. As the current flows
and charge builds up, conductivity modulation (minority
carrier injection) takes place. The impedance of the rectifier
falls and hence, the forward voltage drop falls rapidly back
to the steady state value.

The peak value of the forward voltage is known as the
forward recovery voltage, V

frm.

The time from the forward

current reaching 10% of the steady state value to the time
the forward voltage falls to within 10% of the final steady
state value is known as the forward recovery time (Fig. 16).

The magnitude and duration of the forward recovery is
normally dependent upon the device and the way it is
commutated in the circuit. High voltage devices will produce
larger V

frm

values, since the base width and resistivity

(impedance) is greater.

The main operating conditions which affect V

fr

are:-

•  I

f

; high forward current, which produces higher V

fr

.

•  Current rise time, t

r

; a fast rise time produces higher V

fr

.

Effects on s.m.p.s.

The rate of rise in forward current in the diode is normally
controlled by the switching speed of the power transistor.
When the transistor is turned off, the voltage across it rises,
and the reverse voltage bias across the associated rectifier
falls. Once the diode becomes forward biased there is a
delay before conduction is observed. During this time, the
transistor voltage overshoots the d.c supply voltage while
it is still conducting a high current. This can result in the
failure of the transistor in extreme cases if the voltage
limiting value is exceeded. If not, it will simply add to the
transistor and diode dissipation. Waveforms showing this
effect are given in Fig. 17.

Fig. 17  Forward recovery effect on transistor voltage.

Table 1 outlines typical V

frm

values specified for rectifiers of

different voltage rating. This shows the relatively low values
obtained. No comparable data for any of the competitor
devices could be found in their datasheets. It should be
noted that in most S.M.P.S. rectifier applications, forward
recovery can be considered the least important factor in the
selection of the rectifier.

Device

V

BR

I

f

dI

f

/dt

typ V

frm

type

(Volts)

(Amps)

(A/

µ

s)

(Volts)

BYW29

200

1.0

10

0.9

BYV29

500

10

10

2.5

BYR29

800

10

10

5.0

Table 1. V

frm

 values for different Philips devices.

Reverse leakage current

When a P-N junction is reverse biased, there is always an
inherent reverse leakage current that flows. In any piece of
undoped semiconductor material there is a thermally
generated background level of electron and hole pairs.
These pairs also naturally recombine, such that an
equilibrium is established. In a p-n junction under reverse
voltage conditions, the electric field generated will sweep
some of the free carriers generated out of the device before
they can recombine, hence causing a leakage current. This
phenomenon is shown in Fig. 18.

Fig. 18  Clarification of reverse leakage current.

When the rectifier base is gold doped to decrease Q

s

and

t

rr

, a new energy level is introduced very close to the centre

of the semiconductor energy band gap. This provides lower
energy transition paths as shown, and thermal generation

P

N

Vr

e

_

h

+

Ir

distance

E

applied 
electric field

intensity

Econduction

Evalence

Ei

transition

transition

recombination centre added

1.1eV

lower energy

lower energy

p-n junction

due to doping

Vswitch

Vswitch

Iswitch

0

time

Idiode

switch off

diode
conducts

diode

forward biased

169

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

(and recombination) of hole-electron pairs is more frequent.
Thus, the reverse leakage current is greater still in the killed,
fast rectifier.

Since the pairs are generated thermally, it is obvious that
raising the junction temperature will increase the leakage
significantly. For example, the leakage current of a FRED
can increase by up to 20 times by raising the junction
temperature, T

j

from 25˚C to 100˚C. This increase can be

far greater in other diode technologies.

Many S.M.P.S. designers have a misconception about
leakage current, and believe that it renders the rectifier poor
quality, giving high losses, and is unreliable. This is not so.
Leakage is a naturally occurring effect, and is present in all
rectifiers. The leakage in an S.M.P.S. diode is normally
extremely small and stable, with very little effect on the
rectification

process.

Some

manufacturers

have

over-emphasised the benefits of very low leakage devices,
claiming that they have great advantages. However, this
will be shown to be groundless, since any reduction in the
overall diode power loss will be minimal.

In practice, the reverse leakage current only becomes
significant at high operating temperatures (above 75˚C) and
for high reverse blocking voltages (above 500V), where the
product of reverse voltage and leakage current (hence,
power loss) is higher. Even then, the leakage current is still
usually lower than 1mA.

Table 2 lists the maximum leakage currents for some of the
devices from the Philips range (gold killed), revealing low
levels, even in the higher voltage devices, achieved through
optimised doping.

Device

V

BR(max)

max I

r

 (mA)

max I

r

 (

µ

A)

type

(Volts)

T

j

 =100˚C

T

j

=25˚C

full V

rrm

full V

rrm

BYW29

200

0.6

10

BYV29

500

0.35

10

BYR29

800

0.2

10

Table 2. Maximum reverse leakage currents for Philips

devices.

The power dissipation due to leakage is a static loss and
depends on the product of the reverse voltage and the
leakage current over a switching cycle. A worst case
example is given below where the data sheet leakage
current maximum is used at maximum reverse blocking
voltage of the diode.

S.M.P.S example:-Flyback converter

Consider first the BYV29-500 as the output rectifier in the
discontinuous flyback converter (Note: the reverse blocking
occurs during the transistor on time, and a minimum duty
of 0.25 has been assumed.) The BYV29-500 could
generate a possible maximum output voltage of 125V. The
maximum leakage power loss is:-

Alternatively, for the BYR29-800, maximum rectified output
is approximately 200V, and by similar calculations, its
maximum loss is 40mW. Lower output voltages would give
leakage losses lower than this figure.

These types of calculation can be carried out for other
topologies, when similar low values are obtained.

Conclusion

Philips produces a comprehensive range of Fast Recovery
Epitaxial Diodes. The devices have been designed to
exhibit the lowest possible V

f

while minimising the major

reverse recovery parameters, Q

s

, t

rr

and I

rrm

. Because of the

low Q

s

, switching losses within the circuit are minimised,

allowing use up to very high frequencies. The soft recovery
characteristic engineered into all devices makes them
suitable for use in today’s applications where low R.F.I. is
an important consideration. Soft recovery also provides
additional benefits such as reduced high frequency losses
in the transformer core and, in some cases, the removal of
snubbing components.

P

L

=

500V

0.35mA

0.25

=

43.75mW

170

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

FRED Selection Guide

Single Diodes

Type Number

Outline

I

F(AV)

 max

Voltage Grades

Amps

100

150

200

300

400

500

600

700

800

BYW29E

TO-220AC

8

*

*

*

BYV29

TO-220AC

9

*

*

*

BYR29

TO-220AC

8

*

*

*

*

BYV79E

TO-220AC

14

*

*

*

BYT79

TO-220AC

14

*

*

*

Dual Diodes (Common cathode)

Type Number

Outline

I

O

 max

Voltage Grades

Amps

100

150

200

300

400

500

600

700

800

BYV40

SOT-223

1.5

*

*

*

BYQ27

SOT-82

10

*

*

*

BYQ28E

TO-220AB

10

*

*

*

BYT28

TO-220AB

10

*

*

*

BYV32E

TO-220AB

20

*

*

*

BYV34

TO-220AB

20

*

*

*

BYV42E

TO-220AB

30

*

*

*

BYV72E

SOT-93

30

*

*

*

BYV44

TO-220AB

30

*

*

*

BYV74

SOT-93

30

*

*

*

’E’ denotes rugged device.

171

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Single Diodes (Electrically isolated Package)

Type Number

Outline

I

F(AV)

 max

Voltage Grades

Amps

100

150

200

300

400

500

600

700

800

BYW29F

SOT-186

8

*

*

*

BYV29F

SOT-186

9

*

*

*

BYR29F

SOT-186

8

*

*

*

Dual Diodes (Electrically Isolated Package)

Type Number

Outline

I

O

 max

Voltage Grades

100

150

200

300

400

500

600

700

800

BYQ28F

SOT-186

10

*

*

*

BYV32F

SOT-186

12

*

*

*

BYV72F

SOT-199

20

*

*

*

BYV74F

SOT-199

20

*

*

*

172

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

2.2.2  Schottky Diodes from Philips Semiconductors

The Schottky diodes from Philips have always had good
forward

characteristics

and

excellent

switching

performance. With this new, more extensive range of
Schottky diodes come the additional benefits of stable, low
leakage reverse characteristics and unsurpassed levels of
guaranteed ruggedness.

The performance improvements have been achieved by
changing both the design and the processing of Schottky
diode wafers. The changes are the products of the
continuing programme of research in the field of Schottky
barrier technology being carried out at Stockport.

This report will look at the new range, the improvements
that have been made and the changes that have produced
them.

New process

The manufacturing process for all the devices in the new
range includes several changes which have significantly
improved the quality and performance of the product.

Perhaps the most significant change is moving the
production of the Schottky wafers from the bipolar
processing facility into the PowerMOS clean room. The
Schottky diode is a ’surface’ device - its active region is right
at the conductor / semiconductor interface, not deep within
the silicon crystal lattice. This means that it can usefully
exploit the high precision equipments and extremely clean
conditions needed to produce MOS transistors. In some
respects Schottkies have more in common with MOS
transistors than they do with traditional bipolar products. In
one respect they are identical - their quality can be
dramatically improved by:-

- growing purer oxide layers,

- depositing metal onto cleaner silicon,

- more precise control of ion implantation.

Another change has been in the method of producing the
Schottky barrier. The original method was to ’evaporate’
molybdenum onto the surface of the silicon. In the new
process a Pt/Ni layer is ’sputtered’ onto the surface and
then a heat treatment is used to produce a Pt/Ni silicide.
This has the effect of moving the actual conductor /
semiconductor interface a small distance away from the
surface and into the silicon.

The advantage of this change is that it puts the barrier in
an

environment

where

the

conditions

are

more

homogeneous, resulting in a more consistent barrier. This
consistency produces devices in which every part of the
active area has the same reverse characteristic.

Ruggedness

The RUGGEDNESS of a Schottky diode is a measure of
its ability to withstand the surge of power generated by the
reverse current which flows through it when the applied
reverse voltage exceeds its breakdown voltage. Operation
in this mode is, of course, outside the boundaries of normal
operation - it always exceeds the V

RRM

rating of the device.

However, situations can arise where the voltages present
in the circuit far exceed the expectations of the designer. If
devices are damaged by these conditions then the
equipment they are in may fail. Such failures often result in
equipments being condemned as unreliable. In recognition
of this, Philips will now supply devices which operate
reliably during both normal and abnormal operation.

All the Schottky diodes supplied by Philips now have two
guaranteed reverse surge current ratings:-

I

RRM

 -

guarantees that devices can withstand repetitive
reverse current pulses (t

p

= 2

µ

s;

= 0.001) of greater

than the quoted value,

I

RSM

 -

guarantees that single, 100

µ

s pulses of the rated

value can be applied without damage.

At the moment these ratings are quoted as either 1A or 2A,
depending on device size. It should be understood that
these figures do not represent the limit of device capability.
They do, however, represent the limit of what, experience
suggests, might be needed in most abnormal operational
situations.

In an attempt to determine the actual ruggedness of the
new devices, a series of destructive tests was carried out.
The results shown in Fig. 1 give the measured reverse
ruggedness of different sizes of device. It clearly shows that
even small devices easily survive the 1A I

RRM

 / I

RSM

limit and

that the larger devices can withstand reverse currents
greater than the 85A that the test gear was designed to
deliver.

173

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 1  Typical reverse ruggedness

Reverse leakage

The reverse characteristic of any diode depends upon two
factors - ’bulk’ and ’edge’ leakage. The first is the current
which leaks through the reverse biased junction in the main
active area of the device. The second is the leakage through
the junction around its periphery - where the junction meets
the outside world. Attention must be paid to both of these
factors if a high performance diode is to be produced. During
the development of the new range of Philips Schottky
diodes both of these factors received particular attention.

Bulk leakage

To achieve low forward voltage drop and very fast
switching, Schottky diodes use the rectifying properties of
a conductor / semiconductor interface. The ’height’ of the
potential barrier has a significant effect upon both the
forward voltage drop and the reverse leakage. High barriers
raise the V

F

and lower the general reverse leakage level.

Conversely low barrier devices have a lower V

F

but higher

leakage. So the choice of barrier height must result in the
best compromise between leakage and V

F

to produce

devices with the best allround performance.

The height of a Schottky barrier depends, to a large extent,
upon the composition of the materials at the interface. So
the selection of the barrier metal and the process used for
its deposition is very important. The final decision was made
with the help of the extensive research and device
modelling facilities available within the Philips organisation.
The materials and processes that were selected have
significantly reduced the bulk leakage of the new range of
Schottky diodes. It is believed that this present design gives
the optimum balance between leakage and V

f

that is

currently achievable.

Edge leakage

The other component influencing the reverse characteristic
is edge leakage. In a diffused diode the mechanisms which
operate at the edge of the active area - where the junction
meets the outside world - are different from those which
operate in the centre. The Schottky barrier is the same as
a diffused junction in this respect. The field at the edge of
a simple (untreated in any way) Schottky barrier is very high
and as a consequence the leakage through the junction at
the periphery can also be very high.

In diffused diodes the edge of the junction is treated by
’passivating’ it. In a Schottky diode the edge of the barrier
is treated by implanting a shallow, very low dose, p region
around the periphery of the active area. This region, called
a ’guard ring’, effectively replaces the high field periphery
of the barrier. It is now the characteristics of the guard ring
which determine the edge leakage and not those of the
Schottky barrier.

In this way the mechanisms controlling the two elements
of leakage are now independent and can be adjusted
separately, eliminating the need for compromises. This
freedom, and a combination of good design and the close
tolerance control - achievable with ion implantation -
ensures that the characteristics are excellent, having both
good stability and very low leakage.

Fig. 2  Cross Section of Schottky Diode

Overall leakage

As mentioned earlier, good reverse characteristics rely
upon both the edge and bulk leakages being good. By
eliminating the interactions between the mechanisms and
by concentrating on optimising each, it has been possible
to improve both edge and bulk leakage characteristics. This
has allowed Philips to produce Schottky diodes with typical
room temperature reverse currents as low as 20

µ

A, or

100

µ

A max (PBYR645CT) - considerably lower than was

ever achieved with molybdenum barrier devices.

Maximum Reverse Recovery Current (amps)

100 

90 

80 

70 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

2

3

4

5

6

7

8

9 10

20

30

Data Limit

Test Gear Limit

Active Area of Crystal (mm 2 )

PtNi

Silicide

Guard Ring

Oxide

TiAl

174

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Range

The Schottky diode was originally designed to be used as
the rectifier and freewheel diode in the 5V output of high
frequency SMPS. The arrival of the new 100V Schottkies
has now extended this up to 24V outputs. These supplies
are fitted into equipments whose power requirements vary
widely. Satisfying these needs efficiently means that an
equally wide range of supplies has to be produced. In
recognition of this, Philips has produced a range of diode
packages with current ratings from 6A to 30A. With this
range it is possible to produce power supplies of 20W to
500W output - higher powers are achievable with
parallelling.

The full range of Philips Schottky diodes is shown in
Table 1. At the heart of the range are the ’PBYR’ devices.
The numbers and letters following the PBYR prefix are
compatible with industry standards. These figures give an
indication of a device’s structure (single or dual) and its
current and voltage rating. An explanation of the numbers
is given in Table 2. Care has been taken to ensure
compatibility between Philips devices and those from other
suppliers, which share number/letter suffices. It is hoped
that this will ease the process of equivalent type selection.

Included in the range is a group of devices with ’BYV1xx’
numbers. These devices are a selection of the most popular
types from the previous Philips Schottky range. They have
proved to be conveniently sized devices which have a mix
of ratings and characteristics not matched by other

manufacturers. Although these are ’old’ numbers, delivered
devices will have been manufactured by the new process
and will therefore be better. However, changing the
production process of established types can often cause
concern amongst customers. Philips has recognised this
and, during the development, took particular care to ensure
that all the new devices would be as closely comparable
as possible with previously delivered product. Clarification
is given in the cross reference guide given in Table 3.

Summary

This range of Schottky diodes enhances the ability of Philips
Components to meet all the requirements and needs of the
SMPS designer. The well established range of epitaxial
diodes, bipolar and PowerMOS transistors, ICs and passive
components is now complemented by a range of Schottky
diodes with:-

- very low forward voltage drop,

- extremely fast reverse recovery,

- low leakage reverse characteristics, achieved WITHOUT

compromising overall system efficiency

- stable characteristics at both high and low temperatures

- guaranteed ruggedness, giving reliability under both

normal and abnormal operating conditions.

175

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Table 1  

  Range of Schottky Diodes

Single Diode

Type Number

Outline

I

F(AV)

 (A)

I

O

 (A)

Voltage Grades (V)

per diode

per device

35

40

45

60

80

100

PBYR7**

TO-220AC

7.5

7.5

*

*

*

PBYR10**

TO-220AC

10

10

*

*

*

*

*

*

PBYR16**

TO-220AC

16

16

*

*

*

Dual Diodes - Common Cathode

Type Number

Outline

I

F(AV)

 (A)

I

O

 (A)

Voltage Grades (V)

per diode

per device

35

40

45

60

80

100

PBYR2**CT

SOT-223

1

2

*

*

*

PBYR6**CT

SOT-82

3

6

*

*

*

BYV118**

TO-220AB

5

10

*

*

*

PBYR15**CT

TO-220AB

7.5

15

*

*

*

BYV133**

TO-220AB

10

20

*

*

*

PBYR20**CT

TO-220AB

10

20

*

*

*

*

*

*

BYV143**

TO-220AB

15

30

*

*

*

PBYR25**CT

TO-220AB

15

30

*

*

*

PBYR30**PT

SOT-93

15

30

*

*

*

*

*

*

Dual Diodes - Common Cathode  (Electrically Isolated Package)

Type Number

Outline

I

F(AV)

 (A)

I

O

 (A)

Voltage Grades (V)

per diode

per device

35

40

45

60

80

100

BYV118F**

SOT-186 (3 leg)

5

10

*

*

*

PBYR15**CTF

SOT-186 (3 leg)

7.5

15

*

*

*

BYV133F**

SOT-186 (3 leg)

10

20

*

*

*

PBYR20**CTF

SOT-186 (3 leg)

10

20

*

*

*

BYV143F**

SOT-186 (3 leg)

15

30

*

*

*

PBYR25**CTF

SOT-186 (3 leg)

15

30

*

*

*

PBYR30**PTF

SOT-199

15

30

*

*

*

Single Diodes  (Electrically Isolated Package)

Type Number

Outline

I

F(AV)

 (A)

I

O

 (A)

Voltage Grades (V)

per diode

per device

35

40

45

60

80

100

PBYR7**F

SOT-186 (2 leg)

7.5

7.5

*

*

*

PBYR10**F

SOT-186 (2 leg)

10

10

*

*

*

PBYR16**F

SOT-186 (2 leg)

16

16

*

*

*

176

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Table 2  

  ’PBYR’ Types - explanation of the numbering system.

The numerical part of the type number gives information about the current and voltage rating of the devices. The final
two digits are the voltage grade. The number(s) preceding these give an indication of the current rating. This figure must
be used with care. Single and dual devices derive this number in different ways so the data sheet should be consulted
before final selection is made.
Letters after the type number indicate that the device is NOT a single diode package. The codes used by Philips can
be interpreted as follows:-
CT -

means that the device is dual and the cathodes of the two diodes are connected together.

PT -

means the device is a dual with common cathode but for compatibility reasons ’CT’ cannot be used.

For example
PBYR1645

a device consisting of a single diode with an average current rating (I

F(AV)

) of 16 A and a reverse voltage

capability of 45 V.

Table 3

Cross Reference Guide

Single Diodes

Old Type

Intermediate Type

New Type

BYV19-**

none

PBYR7**

none

none

PBYR10**

BYV39-**

none

PBYR16**

BYV20-**

BYV120-**

none

BYV21-**

BYV121-**

none

BYV22-**

withdrawn

none

BYV23-**

withdrawn

none

Dual Diodes - Common Cathode

Old Type

Intermediate Type

New Type

none

none

PBYR6**CT

BYV18-**

BYV118-**

none

BYV33-**

BYV133-**

PBYR15**CT

none

none

PBYR20**CT

BYV43-**

BYV143-**

PBYR25**CT

BYV73-**

none

PBYR30**PT

FULL PACK Dual Diodes - Common Cathode

Old Type

Intermediate Type

New Type

none

BYV118F-**

none

BYV33F-**

BYV133F-**

PBYR15**CTF

none

none

PBYR20**CTF

BYV43F-**

BYV143F-**

PBYR25**CTF

177

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

2.2.3  An Introduction to Synchronous Rectifier Circuits using

PowerMOS Transistors

Replacing diodes with very low R

DS(on)

POWERMOS

transistors as the output rectifiers in Switch Mode Power
Supplies operating at high operating frequencies can lead
to significant increases in overall efficiency. However, this
is at the expense of the extra circuitry required for transistor
drive and protection. In applications where efficiency is of
overriding importance (such as high current outputs below
5V) then synchronous rectification becomes viable.

This

paper

investigates

two

methods

of

driving

synchronous rectifiers:-

(i) Using extra transformer windings.

(ii) Self-driven without extra windings.

Multi-output power supplies do not easily lend themselves
to extra transformer windings (although there is usually only
one very low output voltage required in each supply).
Therefore, the self-driven approach is of more interest. If
the additional circuitry and power devices were integrated,
an easy to use, highly efficient rectifier could result.

Introduction.

The voltage drop across the output diode rectifiers during
forward conduction in an SMPS absorbs a high percentage
of the watts lost in the power supply. This is a major problem
for low output voltage applications below 5V (See section
2.2.1). The conduction loss of this component can be
reduced and hence, overall supply efficiency increased by
using very low R

DS(on)

POWERMOS transistors as

synchronous rectifiers (for example, the BUK456-60A).

The cost penalties involved with the additional circuitry
required are usually only justified in the area of high
frequency, low volume supplies with very low output
voltages. The methods used to provide these drive
waveforms have been investigated for various circuit
configurations, in order to assess the suitability of the
POWERMOS as a rectifier.

The main part of the paper describes these circuit
configurations which include flyback, forward and push-pull
topologies. To control the synchronous rectifiers they either
use extra windings taken from the power transformer or
self-driven techniques.

The PowerMOS as a synchronous rectifier.

POWERMOS transistors have become more suitable for
low voltage synchronisation for the following reasons:-

(1) The cost of the POWERMOS transistor has fallen
sharply in recent years.

(2) Very low R

DS(on)

versions which yield very low conduction

losses have been developed.

(3) The excellent POWERMOS switching characteristics
and low gate drive requirements make them ideal for high
frequency applications.

(4) Parallelling the POWERMOS devices (which is normally
straightforward) will significantly reduce the R

DS(on)

, thus

providing further increases in efficiency. This process is not
possible with rectifier diodes since they have inherent
forward voltage offset levels.

Fig. 1  POWERMOS transistor showing body diode.

Design constraints.

When the POWERMOS transistor shown in Fig. 1 is used
as a synchronous rectifier, the device is configured such
that the current flow is opposite to that for normal operation
i.e. from source to drain. This is to ensure reverse voltage
blocking capability when the transistor is turned off, since
there will be no current path through the parasitic body
diode. This orientation also gives a degree of safety. If the
gate drive is lost, the body diode will then perform the
rectification, albeit at a much reduced efficiency.

Unfortunately, this configuration has limitations in the way
in which it can be driven. The device gate voltage must
always be kept below

±

30V. The on-resistance (R

DS(on)

) of

the device must be low enough to ensure that the on-state
voltage drop is always lower than the V

f

of the POWERMOS

intrinsic body diode. The gate drive waveforms have to be
derived from the circuit in such a way as to ensure that the
body diode remains off over the full switching period. For
some configurations this will be costly since it can involve
discrete driver I.C.s and isolation techniques.

G

S

D

Intrinsic

body

diode

179

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

If the body diode were to turn on at any point, it would result
in a significant increase in the POWERMOS conduction
loss. It would also introduce the reverse recovery
characteristic of the body diode, which could seriously
degrade switching performance and limit the maximum
allowable frequency of operation.

It is well known that the R

DS(on)

of the POWERMOS is

temperature dependent and will rise as the device junction
temperature increases during operation. This means that
the transistor conduction loss will also increase, hence,
lowering the rectification efficiency. Therefore, to achieve
optimum efficiency with the synchronous rectifier it is
important that careful design considerations are taken (for
example good heat-sinking) to ensure that the devices will
operate at as low a junction temperature as possible.

Fig. 2  Conventional output rectifier circuits.

Transformer Driven Synchronous
Rectifiers.

The conventional output rectifier circuits for the flyback,
forward and push-pull converters are shown in Fig. 2.
These diodes can be replaced by POWERMOS transistors
which are driven off the transformer as shown in Fig. 3.
These configurations can be summarised as follows:-

(a) Flyback converter - this is very straightforward; the gate
voltage can be maintained at below 30V and the body diode
will not come on.

(b) Forward converter - the gate drives for the two
transistors can be maintained below 30V. However, due to
the shape of the transformer waveforms, the freewheel
rectifier will not have a square wave signal and the body
diode could come on.

(c) Push-pull converter - deriving the gate drives for the two
synchronous rectifiers from the transformer means that
during the dead time which occurs in each switching cycle,
both transistors are off. There is nowhere for the circulating
current to go and body diodes will come on to conduct this
current. This is not permissible because of the slow
characteristics of the less than ideal body diode. Therefore,
the push-pull configuration cannot be used for synchronous
rectification without the costly derivation of complex drive
waveforms.

Fig. 3  Synchronous rectifier circuits with windings.

One significant advantage of using this topology is that the
r.m.s. current of the rectifiers and, hence, overall conduction
loss is significantly lower in the push-pull than it is in the
forward or flyback versions.

180

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Self-Driven Synchronous Rectifiers.

The disadvantage of the transformer driven POWERMOS
is the requirement for extra windings and extra pins on the
power transformer. This may cause problems, especially
for multi-output supplies. A method of driving the transistors
without the extra transformer windings would probably be
more

practical.

For

this

reason

basic

self-driven

synchronous rectifier circuits were investigated.

It should be noted that the following circuits were based
upon an output of 5V at 10A. In practice, applications
requiring lower voltages such as 3 or 3.3 volts at output
currents above 20A will benefit to a far greater extent by
using synchronous rectification. For these conditions the
efficiency gains will be far more significant. However, the
5V output was considered useful as a starting point for an
introductory investigation.

(a) The Flyback converter.

An experimental circuit featuring the flyback converter
self-oscillating power supply was developed. This was
designed to operate at a switching frequency of 40kHz and
delivered 50W (5V at 10A).

Directly substituting the single rectifier diode with the
POWERMOS transistor as is shown in Fig. 4(a) does not
work because the gate will always be held on. The gate is
Vo above the source so the device will not switch.

Therefore, some additional circuitry is required to perform
the switching, and the circuitry used is shown in Fig. 4(b).
The BUK456-60A POWERMOS transistor which features
a typical R

DS(on)

of 24m

(at 25˚C) was used as the

synchronous rectifier for these basic configurations.

The drive circuit operates as follows: the pnp transistor
switches on the POWERMOS and the npn switches it off.
Good control of the POWERMOS transistor is possible and
the body diode does not come on. The waveforms obtained
are also shown in Fig. 4.

If the small bipolar transistors were replaced by small
POWERMOS devices, then this drive circuit would be a
good candidate for miniaturisation in a Power Integrated
Circuit. This could provide good control with low drive power
requirements.

Unfortunately, the single rectifier in a flyback converter must
conduct a much higher r.m.s. current than the two output
diodes of the buck derived versions (for the same output
power levels). Since the conduction loss in a POWERMOS
is given by I

D(RMS)

2

.R

DS(on)

, it is clear that the flyback, although

simple, does not lend itself as well to achieving large
increases in efficiency when compared to other topologies
that utilise POWERMOS synchronous rectifiers.

Fig. 4  Flyback self-driven synchronous rectifier circuits.

(b) The Forward converter.

An experimental self-driven circuit based on the forward
converter was then investigated. In this version the
frequency of operation was raised to 300kHz with the supply
again delivering 5V at 10A.

The direct replacement of the output diodes with
POWERMOS transistors is shown in Fig. 5. In this
arrangement, the gate sees the full voltage across the
transformer winding. Therefore, the supply input voltage
range must be restricted to ensure the gate of the
POWERMOS is not driven by excessively high voltages.
This would occur during low primary transistor duty cycle

181

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

conditions. The waveforms obtained for the forward
synchronous rectifier in this configuration are also shown
in Fig. 5.

(Forward rectifier) Timebase: 1

µ

s/div

Top trace:  V

GS

 - 20V/div

Middle:  V

DS

 - 20V/div

Bottom:  I

D

 - 10A/div

Fig. 5  Forward converter with synchronous rectification

 - direct replacement with POWERMOS.

In this case the method of control is such that the gate is
referenced to the source via the drain-source body diode.
This clamps the gate, enabling it to rise to a voltage which
will turn the POWERMOS on. If the body diode was not
present, the gate would always remain negative with
respect to the source and an additional diode would have
to be added to provide the same function.

Additional circuitry is required to turn off the freewheel
synchronous rectifier. This is due to the fact that when the
freewheel POWERMOS conducts, the body diode will take
the current first before the gate drive turns the device on.
An additional transistor can be used to turn off the
POWERMOS in order to keep conduction out of the body
diode. This additional transistor will short the gate to ground
and ensures the proper turn-off of the POWERMOS. The
circuit with this additional circuitry and the resulting
freewheel rectifier waveforms are given in Fig. 6.

(Freewheel rectifier)  Timebase: 1

µ

s/div

Top waveform:  V

GS

 - 20V/div

Middle:  V

DS

 - 20V/div

Bottom:  I

D

 - 10A/div

Fig. 6  Forward converter with synchronous rectification

- additional circuitry to turn-off body diode.

A very simple circuit configuration can be used in which
body diode conduction in the freewheel synchronous
rectifier does not occur. By driving the freewheel rectifier
from the output choke via a closely coupled winding, a much
faster turn-on can be achieved because the body diode
does not come on. This circuit configuration and associated
waveforms are shown in Fig. 7.

To avoid gate over-voltage problems a toroid can been
added which will provide the safe drive levels. This toroid
effectively simulates extra transformer windings without
complicating the main power transformer design. The
limitations of this approach are that there will be extra
leakage inductance and that an additional wound
component is required. The applicable circuit and
waveforms for this arrangement are given in Fig. 8.

Conclusions

The main advantage of POWERMOS synchronous
rectifiers over existing epitaxial and Schottky diode
rectifiers is the increase in efficiency. This is especially true
for applications below 5V, since the development of very
low R

DS(on)

POWERMOS transistors allows very significant

182

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

efficiency increases. It is also very easy to parallel the
POWERMOS transistors in order to achieve even greater
efficiency levels.

The difficulties involved with generating suitable drives for
the POWERMOS synchronous rectifiers tend to restrict the
number of circuits for which they are suitable. It will also
significantly increase the cost of the supply compared with
standard rectifier technology.

The circuit examples outlined in this paper were very basic.
However, they did show what can be achieved. The flyback
configuration was the simplest, and there were various
possibilities for the forward converters.

(Freewheel rectifier)  Timebase: 1

µ

s/div

Top waveform:  V

GS

 - 20V/div

Middle:  V

DS

 - 20V/div

Bottom:  I

D

 - 10A/div

Fig. 7  Forward converter with synchronous rectification

- avoiding body diode conduction.

Recent work has shown that there are topologies more
suited to using MOSFET synchronous rectifiers (featuring
low rectifier r.m.s. current levels) such as the push-pull.
These can achieve overall power supply efficiency levels
of up to 90% for outputs of 5V and below. However, the
discrete control circuitry required is quite complex and
requires optical/magnetic isolation, since the waveforms
must be derived from the primary-side control.

The true advantage of synchronous rectifiers may only be
reached when the drive circuit and POWERMOS devices
are hybridised into Power Integrated Circuits. However, in
applications where the efficiency performance is of more
importance than the additional costs incurred, then
POWERMOS synchronous rectification is presently the
most suitable technique to use.

(Freewheel rectifier)  Timebase: 1

µ

s/div

Top waveform:  V

GS

 - 20V/div

Middle:  V

DS

 - 20V/div

Bottom:  I

D

 - 10A/div

Fig. 8  Forward converter with synchronous rectifiers -

method of protecting the gate inputs.

183

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Design Examples

185

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

2.3.1  Mains Input 100 W Forward Converter SMPS: MOSFET

and Bipolar Transistor Solutions featuring ETD Cores

The following two switched-mode power supplies described
are low cost easy to assemble units, intended primarily for
the large number of equipment manufacturers who wish to
build power supplies in-house.

The designs are based upon recent technologies and both
feature ETD (Economic Transformer Design) ferrite cores.
The first design features a high voltage Bipolar transistor,
the BUT11 at a switching frequency of 50kHz. The second
design is based around a power MOSFET transistor, the
BUK456-800A whose superior switching characteristics
allow higher switching frequencies to be implemented. In
this case 100kHz was selected for the MOSFET version
allowing the use of smaller and cheaper magnetic
components compared with the lower frequency version.

Both supplies operate from either 110/120 or 220/240 V
mains input, and supply 100W of regulated output power
up to 20A at 5V, with low power auxiliary outputs at

±

12V.

The PowerMOS solution provides an increase in efficiency
of 5% compared with the Bipolar version, and both have
been designed to meet stringent R.F.I. specifications.

ETD ferrite cores have round centre poles and constant
cross-sectional area, making them ideally suited for the
windings required in high-frequency S.M.P.S. converters.
The cores are available with clips for rapid assembly, and
the coil formers are suitable for direct mounting onto printed
circuit boards.

The ETD cores, power transistors and power rectifiers
featured are part of a comprehensive range of up-to-date
components available from Philips from which cost effective
and efficient S.M.P.S. designs can be produced.

50kHz Bipolar version

Circuit description

The circuit design which utilises the Bipolar transistor is
shown in Fig. 1. This is based upon the forward converter
topology, which has the advantage that only one power
switching transistor is required.

An operating frequency of 50kHz was implemented using
a BUT11 transistor (available in TO-220 package or isolated
SOT-186 version). This was achieved by optimising the
switching performance of the BUT11 Bipolar power
transistor TR5, by careful design of the base drive circuitry
and by the use of a Baker clamp. The 50kHz operating

frequency allows the size and the cost of the transformer
and choke to be reduced compared with older Bipolar based
systems which worked around 20kHz.

The base drive waveform generated by IC1 is buffered
through TR3 and TR4 to the switching transistor TR5.
Although operating from a single auxiliary supply line, the
drive circuit provides optimum waveforms. At turn-off,
inductor L3 controls the rate of change of reverse bias
current (-dI

B

/dt). The reverse base-emitter voltage is

provided by capacitor C16 (charged during the on-time).
The resulting collector current and voltage waveforms are
profiled by a snubber network to ensure that the transistor
SOA limits are not exceeded.

Voltage regulation of the 5V output is effected by means of
an error signal which is fed back, via the CNX82A
opto-coulper, to IC1 which adjusts the transistor duty cycle.
Over-current protection of this output is provided by
monitoring the voltage developed across the 1

resistor,

R28 and comparing this with an internal reference in IC1.
Voltage regulation and overcurrent protection for the 12V
outputs are provided by the linear regulating integrated
circuits IC4 and IC5.

Specification and performance
(Bipolar version)

Input

220/240 V a.c. nominal

(range 187 to 264 V a.c.)

110/120 V a.c. nominal

(range 94 to 132 V a.c.)

Output

Total output power = 100 W.

Fig. 2  Output voltage versus input voltage - (I

out

 = 20A).

187

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 1  100W SMPS circuit diagram (50kHz Bipolar transistor version).

188

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Main output

5V at 20A max output power - Adjustment range

±

5%.

Line regulation

The change in output voltage over the full input voltage
range of 187 to 264 V is typically 0.2%; see Fig. 2.

Load regulation

The change in output voltage over the full load range of
zero to 100 W is typically 0.4%; see Fig. 3.

Fig. 3  Output voltage as a function of output current

(input voltage = 220Vac).

Auxiliary outputs

±

12V at 0.1A.

Regulation (worst-case condition of max change in input
voltage and output load) < 0.4%.

Ripple and Noise

0.2% r.m.s.

1.0% pk-pk (d.c. to 100MHz).

Fig. 4  Output hold-up during mains drop-out at input.

Output hold-up

Both the main and auxiliary outputs will remain within
specification for a missing half-cycle (18ms) at full load and
minimum input voltage; see Fig. 4.

Isolation

Input to output ground

2kV r.m.s.

Output to ground

500V r.m.s.

Efficiency

The ratio of the d.c output power to the a.c input power is
typically 71% at full load; See Fig. 5.

Fig. 5  Efficiency as a function of output current.

Radio frequency interference

R.F.I. fed back to the mains meets VDE0875N and BS800.

Transient response

The response to a 50% change in load is less than 200mV
and the output returns to the regulation band within 400

µ

s:

See Fig. 6.

Fig. 6  Response to 50% change in load with nominal

220Vmains input.

Vertical scale:  200nV/div

Horizontal scale: 1ms/div

189

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Optimum drive of high voltage Bipolar
transistor (H.V.T.)

A feature of the high voltage Bipolar transistor is the very
low conduction loss that can be obtained. This is made
possible by the "conductivity modulation" process that
takes place due to the influence of minority carriers in the
collector region of the device. However, the presence of
these carriers means that a stored charge will exist within
the collector region (especially in high voltage types) which
has the effect of producing relatively slow switching speeds.
This leads to significant switching losses, limiting the
maximum frequency of operation to around 50kHz.

To effectively utilise the power switching H.V.T. the base
drive must be optimised to produce the lowest switching
losses possible. This is achieved by accurate control of the
injection and more importantly the removal of the stored
charge during the switching periods. This is fulfilled by
controlling the transistor base drive current. (The Bipolar
transistor is a current-controlled device). The simple steps
taken to achieve this are summarised as follows:-

(1) A fast turn-on "kick-up" pulse in the base current should
be provided to minimise the turn-on time and associated
switching loss.

(2) Provide the correct level of forward base current during
conduction, based upon the high current gain of the
transistor. This ensures the device is neither over-driven
(which will cause a long turn-off current tail ) nor
under-driven (coming out of saturation causing higher
conduction loss). The Baker clamp arrangement used (see
Fig. 1) prevents transistor over-drive (hard saturation).

(3) The correct level of negative base drive current must be
produced to remove the stored charge from the transistor
at turn-off. The majority of this charge is removed during
the transistor storage time t

s

. This cannot be swept out too

quickly, otherwise a "crowding effect" will taken place
causing a turn-off current tail with very high switching loss.
This accurate control of the charge is provided by a series
inductor placed in the path of the negative base drive circuit.
(For further information see sections 1.3.2. and 2.1.3).

BUT11 waveforms

These techniques have been applied in the BUT11 drive
circuit shown in Fig. 1, and the resulting base drive
waveforms are given in Fig. 7.

Optimised base drive minimises both turn-on and turn-off
switching loss, limiting the power dissipation in both the
transistor and snubber resistor allowing acceptable

operation at 50kHz. This is outlined in Fig. 8 which gives
the BUT11 collector current (I

C

) and collector-emitter

voltage (V

CE

) waveforms.

The transistor V

CE(sat)

would normally be as low as 0.3V.

However, the use of the Baker clamp limits it to about 1V.
Even so this still yields a transistor conduction loss of only
0.76W for the full output load condition.

Fig. 7  Base voltage V

B

 and base current I

B

 of BUT11

with nominal 220V input and full 5V, 20A output.

Upper trace V

B

:  5V/div

Lower trace I

B

:  0.2A/div

Horizontal scale:  5

µ

s/div

Fig. 8  Collector-emitter voltage V

CE

and collector current I

C

 for the BUT11

with nominal 220V mains input and full 5V, 20A output.

Upper trace V

CE

:  200V/div

Lower trace I

C

:  1A/div

Horizontal scale:  5

µ

s/div

190

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

50kHz Magnetics design

Output Transformer

For 50kHz operation the transformer was designed using
an ETD39 core. The winding details are given in Fig. 9 and
listed as follows:-

Winding

1.

1/2 demag

42 turns 0.315mm dia. enamelled
copper wire (e.c.w.) (single layer).

2, 3

1/2 primary

42 turns 0.315mm e.c.w.(2 layers in
parallel).

4, 5

r.f.i. screens

each 1 turn 0.05 x 16.5mm copper
strip.

6.

5V sec

6 turns 0.2 x 16.5mm copper strip.

7.

±

12V sec

18 turns 0.355mm e.c.w. bifilar
wound (1 wire each output).

8, 9

r.f.i. screens

each 1 turn 0.05 x 16.55mm copper
strip.

10,

1/2 prim

42 turns 0.315mm e.c.w. (2 layers in

11

parallel).

12.

1/2 demag

42 turns 0.315 e.c.w (single layer).

13.

primary drive 7 turns 0.2mm e.c.w.

-

interleaving

0.04mm film insulation.

Airgap 0.1mm total in centre pole.

Fig. 9  50kHz Output transformer winding details. The 5V secondary and r.f.i. screens are connected together by

flying leads. Pin numbering is consistent with the ETD39 coil former.

(The insulation has been added to meet isolation and safety requirements for a mains input SMPS.)

191

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 10  50kHz output choke L1, winding details.

Inductance of 5V winding = 43

µ

H.

Coupled Inductor technique.

50kHz output chokes

All of the output chokes have been wound on a single core;
i.e. using the coupled inductor approach. This reduces
overall volume of the supply and provides better dynamic
cross-regulation between the outputs. The design of this
choke, L1, is based upon 43

µ

H for the main 5V output,

using an ETD44 core which was suitable for 100W, 50kHz
operation.

The winding details are shown in Fig. 10 and are specified
as follows :-

Windings

1. 19 turns 0.25 x 25mm copper strip.

2. 57 turns 0.4mm e.c.w. bifilar wound.

Airgap 2.5mm total in centre pole.

Note. Choke L3 was wound with 1 turn 0.4mm e.c.w.

100kHz MOSFET version

The circuit version of the 100W forward converter based
around the high voltage power MOSFET is shown in
Fig. 11. The operating frequency in this case has been
doubled to 100kHz.

Feedback is again via opto-coupler IC1, the CNX83A which
controls the output by changing the duty cycle of the drive
waveform to the power MOSFET transistor, TR3 which is
the BUK456-800A (available in TO-220 package or the fully
isolated SOT-186 version). The transistor is driven by IC4
via R16 and operates within its SOA without a snubber: see
the waveforms of Fig. 15. There is low auxiliary supply
voltage protection and primary cycle by cycle current
limiting which inhibit output drive pulses and protect the
supply.

The power supply control and transistor drive circuitry
(enclosed within the broken lines in Fig. 11) have low
current requirements (5mA). This allows dropper resistors
R2 and R3 to provide the supply for these circuits directly
from the d.c. link thereby removing the supply winding
requirement from the transformer.

Specification and performance
(MOSFET version)

The specification and performance of the 100kHz MOSFET
version is the same as the earlier 50kHz Bipolar version
with the exception of the following parameters:-

Output ripple and noise

< 10 mV r.m.s.

< 40mV pk-pk (100MHz bandwidth) See Fig. 12.

Fig. 12  Output voltage and noise at full load for 100kHz

version.

Vertical scale: 50mV/div.

Horizontal scale: 2

µ

s/div.

Transient response

The transient response has been improved to a 100mV line
deviation returning to normal regulation limits within 100

µ

s

for a 10A change in load current.

192

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

193

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Radio frequency interference

The

100kHz

version

meets

BS800

and

CISPRA

recommendations; see Fig. 13.

Fig. 13  Measured r.f.i. at supply terminals.

Efficiency

The overall efficiency has been improved by up to 5%
compared to the Bipolar version, achieving 76% at full
output load. This is mainly due to the more efficient
switching characteristics of the MOSFET allowing the
removal of the lossy snubber, reduced transistor drive
power requirements and lower control circuit power
requirements. Fig. 14 shows the overall efficiency of the
power supply against load current.

Fig. 14  Efficiency vs load current (V

IN

 = 220V a.c.).

It should be noted that for the high current and low voltage
(5V) main output, a large portion of the efficiency loss will
be due solely to the output rectifiers’ forward voltage drop
V

F

. Therefore, these two output rectifiers are required to be

low loss, very low V

F

power Schottky diodes in order to keep

overall converter efficiency as high as possible. In this case
the Dual PBYR2535CT device was selected for the 5V
output. This is available in the TO-220 package and will

comfortably rectify an average output current well above
the 20A required, providing a suitably sized heat-sink is
added.

Mains isolation

The mains isolation conforms to IEC435.

The power MOSFET as a high frequency
switch

Power MOSFET transistors are well known for their ease
of drive and very fast switching characteristics. Since these
are majority carrier devices, they are free from the charge
storage effects which lessen the switching performance of
the Bipolar products. Driving the MOSFET is far simpler
and requires much less drive power than the equivalent
Bipolar version.

The speed at which a MOSFET can be switched is
determined by the rate at which its internal capacitances
can be charged and discharged by the drive circuit. In
practice these capacitances are very small (e.g the input
capacitance C

iss

for the BUK456-800A is quoted as 1000pF)

allowing MOSFET rise and fall times in the tens of
nano-seconds region. The MOSFET can conduct full
current when the gate-source voltage V

GS

, is typically 4V to

6V. However, further increases in V

GS

are usually employed

to reduce the device on-resistance and 8V to 10V is
normally the final level applied to ensure a lower conduction
loss.

With such fast switching times, the associated switching
losses will be very low, giving the MOSFET the ability to
operate as an extremely high frequency switch. Power
switching in the MHz region can be obtained by using a
MOSFET.

One major disadvantage of the MOSFET is that it has a
relatively high conduction loss in comparison with bipolar
types. This is due to the absence of the minority carriers
meaning no "conductivity modulation" takes place.

MOSFET on-resistance

The conduction loss is normally calculated by using the
MOSFET "on-resistance", R

DS(on)

, expressed in Ohms. The

voltage developed across the device during conduction is
an Ohmic drop and will rise as the drain current increases.
Therefore, the conduction loss is strongly dependent upon
the operating current. Furthermore, the value of the
MOSFET R

DS(on)

is strongly dependent upon temperature,

and increases as the junction temperature of the device
rises during operation. Clearly, the MOSFET does not
compare well to the Bipolar which has a stable low
saturation voltage drop V

CE(sat)

, and is relatively independent

of operating current or temperature.

It should be noted that the R

DS(on)

of the MOSFET also

increases as the breakdown voltage capability of the device
is increased.

194

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

How fast should the MOSFET be switched?

Although very fast switching times are achievable with the
power MOSFET, it is not always suitable or necessary to
use the highest frequency possible. A major limiting factor
in S.M.P.S. design is the magnetics. Present high frequency
core loss for high grade ferrite core materials such as 3C85
limits the maximum operating frequency to about 200kHz,
although new types such as 3F3 are now suitable for use
at 500kHz.

There has always been a drive to use ever higher operating
frequencies with the aim of reducing magnetics and filter
component sizes. However, most S.M.P.S. designs still
operate below 300kHz, since these frequencies are quite
adequate for most applications. There is no reason to go
to higher frequencies unneccessarily, since very high
frequency design is fraught with extra technical difficulties.

Furthermore, although the very fast MOSFET switching
times reduce switching loss, the increased dI/dt and dV/dt
rates will generate far worse oscillations in the circuit
parasitics requiring lossy snubbers. The R.F.I. levels
generated will also be far more severe, requiring additional
filtering to bring the supply within specification. The golden
rule in S.M.P.S. square wave switching design is to use the
lowest operating frequency and switching times that the
application will tolerate.

Estimating required switching times

In the 100kHz example presented here, the typical
conduction time of the transistor will be approximately 3

µ

s.

A rule of thumb is to keep the sum of the turn-on and turn-off
times below 10% of the conduction time. This ensures a
wide duty cycle control range with acceptable levels of
switching loss. Hence, the target here was to produce
switching times of the order of 100ns to 150ns.

Gate drive requirements

The capacitances of the power MOSFET are related to the
overall chip size with the gate-source capacitance typically
in the range 1nF to 2nF. However, these capacitances are
very voltage dependent and are not suitable for estimating
the amount of drive current required to obtain the desired
switching times. A more accurate method is to use the
information contained in the turn-on gate charge (Q

G

)

characteristic given in the data-sheets. The graph of Q

G

for

the BUK456-800A for a maximum d.c. rated drain current
of 4A is shown in Fig. 15.

The shape of this characteristic needs explaining. The initial
slope shows the rise of V

GS

to the device 4A threshold

voltage V

th

. This requires very little charge, and at the top

point of this slope the MOSFET can then conduct full
current. However, further gate charge is required while V

DS

falls from its off-state high voltage to its low on-state level.
This is the flat part of the characteristic and at the end of
this region the MOSFET is fully switched on. (This is shown

for a range of initial off state voltages). The second slope
characterises any further increase in Q

G

and V

GS

that may

be employed to minimise the device on-resistance.

Note. Since the turn-off mechanism involving the removal
of gate charge is almost identical to the turn-on mechanism,
the required turn-off gate charge can also be estimated from
the turn-on gate charge plot.

Fig. 15  Typical turn-on gate charge versus V

GS 

for

BUK456-800A

Conditions: I

D

 = 4A; plotted for a range of V

DS

.

In this topology the typical d.c. link voltage is 280V, hence
the MOSFET V

DS

prior to turn-on will be 280V, doubling to

560V at turn-off. From Fig. 14, for these two V

DS

levels it

can be estimated that the BUK456-800A will require 23nC
to fully turn on and 27nC to turn off. It should be noted that
this estimation of gate charge is for the 4A condition. In this
present application the peak current is under 2A and in
practice the actual Q

G

required will be slightly less.

To a first approximation the gate current required can be
estimated as follows:-

where t

sw

is the applicable switching time. If an initial value

of the turn-on and turn-off time is taken to be 125ns then
the required gate current is given by:-

In the majority of MOSFET drive circuits the peak currents
and resulting switching times are controlled by using a
series gate resistor R

G

. An initial estimation of the value of

this resistor can be found as follows:-

0

20

40

QG / nC

VGS / V

12 

10 

VDS / V =160 

640 

BUK4y6-800

Q

G

=

I

G

t

sw

I

G

(

on

)

=

23nC

125ns

=

0.184A;

I

G

(

off

)

=

27nC

125ns

=

0.216A

R

G

=

V

drive

V

th

I

G

(

ave

)

195

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

where I

G(ave)

is the average value of the turn-on and turn-off

peak gate current. In this example the gate driver I.C.4.
consists of 5 parallel T.T.L. gates in order to provide high
enough current sink and source capability. The driver
supply voltage was approximately 10V, the MOSFET
threshold voltage was 5V and the average peak gate
current was 0.2A.

This gives a value for R

G

of 25

. A value of 22

was

selected, and the resulting gate drive waveforms for TR3
under these conditions at the full 100W output power are
given in Fig. 16.

Fig. 16  PowerMOS TR3 gate drive waveforms.

Upper V

GS

=5V/div; Lower I

G

=0.2A/div

Horizontal 2

µ

s/div.

This shows a peak I

G

of 0.17A at turn-on and 0.28A at

turn-off. The magnitudes of the turn-on and turn-off peak
gate currents in operation are slightly different to the
calculated values. This is due to the effect of the internal
impedance of the driver, where the impedance while sinking
current is much lower than while sourcing, hence the
discrepancy.

These drive conditions correspond to a turn-on time of
143ns and turn-off time of 97ns, which are reasonably close
to the initial target values.

In this application, and for the majority of simple gate drive
arrangements which contain a series gate resistor (see
section 1.1.3) the total power dissipation of the gate drive
circuit can be expressed by:-

where Q

G

is the peak gate charge and V

GS

is the operating

gate-source voltage. From Fig. 15, taking Q

G

to be 43nC

for a V

GS

of 10V gives a maximum gate drive power

dissipation of only 43mW, which is very small and can be
neglected.

MOSFET losses

Switching losses

The waveforms for the drain current and drain-source
voltage at full output load for the drive conditions specified
are given in Fig. 17. In this case no transistor snubbing was
required.

Fig. 17  PowerMOS drain-source voltage and drain

current at full load.

Upper V

DS

=200V/div;  Lower I

D

=1A/div

Horizontal scale 2

µ

s/div

The waveforms of I

D

and V

DS

were found to cross at

approximately half their maximum values for both turn on
and turn-off. The switching loss can therefore be
approximated to two triangular cross-conduction pulses
shown in Fig. 18.

Fig. 18  Graphical approximation of MOSFET switching

loss.

Hence, the total switching loss can be expressed by the
following simplified equation:-

Inserting the correct values for this example gives:-

Id

Vds

turn-on energy loss 

turn-off energy loss

per cycle

Vlink x Ion x ton

2 x 2 x 2

2Vlink x Ioff x toff

2 x 2 x 2

(Vlink)

(2Vlink)

Ion

Ioff

per cycle

ton

toff

Power = Energy x freq

P

G

=

Q

G

.

V

GS

.

f

P

sw

=

1
8

f

(

I

Don

V

link

t

on

+

I

Doff

2V

link

t

off

)

P

sw

=

0.125

×

100k(1.3

×

280

×

147n

+

1.95

×

560

×

97n

)

196

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The MOSFET switching loss in this application is a very
respectable 1.73W. It should be noted that a direct
comparison with the switching loss of the earlier Bipolar
version is not practical. It was necessary to use a snubber
with the Bipolar in order to remove a large amount of the
excessive switching loss generated by the device.
Furthermore,

the

MOSFET

switching

frequency

implemented was double that of the Bipolar version.

If a direct comparison were to be made under the same
circuit conditions, the Bipolar switching loss would always
be far in excess of the low values achievable with the
MOSFET.

Conduction loss

The conduction loss for a power MOSFET is calculated by
estimating (I

D(rms)

)

2

R

DS(on)

. The drain current at full output

load is as shown in Fig. 17 and the r.m.s. value of the
trapezoidal current waveforms found in the forward
converter is given by:-

At full load, these values can be seen to be I

min

=1.25A;

I

max

=1.95A; D= 0.346. Substituting these values into the

above equation gives an I

D(rms)

= 0.95A.

The typical R

DS(on)

value for the BUK456-800A is quoted as

2.7

. However, this is for a junction temperature of 25˚C.

The value at higher operating junction temperatures can be
calculated from the normalisation curve given in the
data-sheets. If a more realistic operating temperature of
100˚C is assumed, the weighting factor is 1.75. Hence, the
correct R

DS(on)

to use is 4.725

. Therefore, the conduction

loss is given by:-

The conduction loss of 4.26W is over double the switching
loss. However, this is typical for a high voltage MOSFET
operated around this frequency. The MOSFET conduction
loss is much higher than was previously obtained using the
Bipolar transistor at 50kHz, as expected.

The total loss for the MOSFET device thus comes to 6W
i.e. 6% of the total output power.

It should be remembered that this figure has been
calculated for the full output load condition which will be a
transient worst case condition. A more realistic typical
dissipation of approximately 4W has been estimated for the
half load condition, where the conduction loss is
approximately halved. This 4W figure should be used when

estimating the heatsink requirement. In this case a relatively
small heatsink with a thermal co-efficient of around 10˚C/W
would be adequate.

For more information on MOSFET switching refer to
chapters 1.2.2. and 1.2.3. of this handbook.

100kHz magnetics design

Output transformer

Doubling the switching frequency to 100kHz has allowed
the use of the smaller sized ETD34 core for the transformer.
This transformer has been designed with a 0.1mm centre
pole air gap. The winding details are shown in Fig. 19 and
listed as follows:-

Winding

2 to 1

Regln
supply

5 to 4

+12V sec 3 x 12 turns 0.4mm e.c.w. in 1 layer.

6 to 7

-12V sec

3 x 12 turns 0.4mm e.c.w. in 1 layer.

8

r.f.i.

1 turn 0.1 x 13mm copper strip.

screen

10

to 1/2 prim

28 turns 0.355mm e.c.w. bifilar in two

12

layers.

11

to 1/2

28 turns 0.355mm e.c.w. in 1 layer.

13

demagn

12

to 1/2 prim

28 turns 0.355mm e.c.w. bifilar in 2

14

layers.

13 to 8 1/2

28 turns 0.355mm e.c.w. in 1 layer.

demagn

Interleaving:- 1turn 0.04mm insulation between each layer
except 3 turns between r.f.i. screens.

Output choke

Again the implementation of the higher frequency has
allowed the use of the smaller sized ETD39 core for the
coupled output inductor. A centre pole air-gap of 2mm was
utilised. The winding details are shown in Fig. 20 and are
listed as follows:-

Winding

Copper strip +5V

15 turns 0.3 x 21mm copper strip.

2 to 15

-12V

45 turns 0.4mm e.c.w. in 1 layer.

1 to 16

+12V

45 turns 0.4mm e.c.w. in 1 layer.

Interleave:- 1 layer 0.04mm insulation between each strip
and winding.

=

0.67W

+

1.06W

=

1.73W

I

rms

=

√

D

I

min

2

+

I

min

I

max

+

I

max

2

3

D

=

t

ON

T

P

cond

= (

0.95

)

2

4.723

=

4.26W

197

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 19  100kHz transformer construction.

Fig. 20  100kHz inductor construction.

198

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

2.3.2  Flexible, Low Cost, Self-Oscillating Power Supply using

an ETD34 Two-Part Coil Former and 3C85 Ferrite

This section describes a low-cost, flexible, full performance,
Self Oscillating Power Supply (SOPS) using the flyback
principle.

The circuit is based around an ETD34 transformer using a
two-part coil former and 3C85 ferrite material. The feedback
regulation is controlled from the secondary side by means
of a small U10 transformer.

The circuit is described and the details of the magnetic
design using the two-part coil former is given. The
advantages of the two-part coil former are highlighted
together with 3C85 material properties. Power supply
performance of a 50W SMPS design example is given.

Introduction.

A

recently

developed

low-cost

full-performance

switched-mode

power

supply

design is

presented,

highlighting a new transformer concept using a novel
ETD34 two-part coil former and 3C85 low-loss material.
The SMPS is of the Self Oscillating Power Supply (SOPS)
type and uses the flyback principle for minimum component
count and ultra-low cost/watt.

Compliance with safety and isolation specifications has
always been a headache for magnetics designers. Now,
the introduction of the ETD34 two-part coil former solves
the problem of the 4+4mm creepage and clearance
distances by increasing the available winding area and
consequently decreasing copper losses. It also offers the
advantage of a more flexible approach with the possibility
of using a standard ’plug-in’ primary and a customised
secondary to meet any set of output requirements.

3C85 is a recently developed material superseding 3C8
and offers lower core loss, better quality control and higher
frequency operation at no extra cost.

These products are illustrated in the following 50W SMPS
design example, which is suitable for microcomputer
applications.

SOPS

The principle of the Self-Oscillating Power Supply is shown
in Fig. 1 and is based on the flyback converter principle.
Stabilisation of the output voltage against mains and load
variation is achieved by varying the duty cycle of the
powerMOS switching transistor. The on-time varies mainly
with input voltage, whereas the off-time varies only with the
load. This means that both the duty cycle and the frequency
vary due to the control circuit. The switching frequency is

therefore at a maximum for maximum input voltage and
minimum load. Regulation is achieved by varying the point
at which the POWERMOS transistor is switched off. A.C.
magnetic coupling is used in preference to opto-couplers
for long-term life stability and guaranteed creepage and
clearance. This circuit has the inherent property of self
limiting energy transfer, since the maximum energy 1/2LI

2

,

is defined by the bipolar transistor V

BE

threshold and the

source resistance value.

Fig. 1  Principle of S.O.P.S. with magnetic feedback for

isolation.

The Transformer

The transformer uses the versatile ETD system. This is the
range of four IEC standardised cores based on an E-core
shape with a round centre pole. This permits easy winding
especially for copper foil and standard wire. The ETD
system includes coil formers into which the cores are clip
assembled. The coil formers are designed for automatic
winding

and comply

with all the

standard

safety

specifications.

The two-part coil former was especially designed for the
ETD34, and is shown in Fig. 2. There is 25% more winding
area compared to the standard coil former yet full safety
isolation is provided so that the creepage and clearance
specifications are fully met. The inner part is a "click" fit into
the outer part, such that the former is mechanically stable
even with the cores removed. This two-part construction
leads to a very versatile winding approach where standard
primaries can be wound and assembled, yet still retaining
the flexibility for various secondaries to be added for
different requirements.

199

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 2  ETD34 Two Part Coil Former.

Leakage inductance is always a problem with flyback
transformers, but using this special construction the
increase in leakage can be almost offset by the greater
winding area of the two-part coil former when compared to
the standard product with 4 + 4mm creepage and clearance.
Fig. 3

shows

standard

and

two

part

transformer

cross-sections, where the leakage inductance is not more
than 20% greater for the two-part coil former for this 50W
design.

The transformer details for the 50W microcomputer power
supply design example are shown in Fig. 4. The primary
side consists of three windings:- a feedback winding of 5
turns, the main primary winding and a bifilar voltage clamp

winding of 92 turns. This is achieved with 4 layers to fill the
inner coil space area. The secondaries consist of a 5V
winding of 3 turns and the +12V windings of 7 turns each.
As there are so few turns, the winding area is most
effectively filled with stranded wire, copper strip or parallel
windings, and these are therefore all possible choices.

In addition to the improved windings possibilities with the
two-part coil former, the ETD core material has been
enhanced. The quality of the 3C85 material is much
improved compared to the older 3C8 type. Fig. 5 compares
curves of core loss versus frequency for 3C85 against 3C8.
The 30% improvement in 3C85 has been due to refining
the material composition and tighter process quality control.

200

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 3  The two types of transformer construction compared.

Fig. 4  Transformer winding details using two part coil

former.

Fig. 5  Core loss versus frequency for 3C8 and 3C85.

Application and Operation of SOPS

The SOPS circuit is ideally suited for microcomputer
systems, where full performance at low cost is required.
The 50W output power is split between a regulated 5V
output at 5A for the logic, a +12V output at 1.8A and a -12V
output at 0.2A for the peripherals. The circuit diagram of
the power supply is shown in Fig. 6. The operating
frequency varies from 250kHz at open circuit to 35kHz at
full load. The circuit works as follows:-

The mains input is filtered (L1), rectified (D1-D4) and
smoothed (C7) to provide a d.c. rail. This supply rail utilises
a single electrolytic capacitor which is a low profile , low
cost, snap-fit 055 type.

The main switching transistor, Q1, is a TO-220 powerMOS
device, the BUK456-800A. Starting current is provided via
R1 to Q1 to start the self-oscillating operation. Feedback
current is provided by a small winding on the transformer
(T1), via C8 to maintain bias. Duty cycle control is via R5
and T2, with final control being achieved with R5, T2 and
Q2. The triangular transformer magnetising current is seen
across R5 as a voltage ramp, (see Fig. 7). This is fed to the
base of Q2, via a small U10 transformer, T2. When the
voltage becomes greater than the V

BE

of the transistor, Q2

is turned on, causing the gate of Q1 to be taken to the
negative rail, so terminating the magnetisation of the
transformer T1. The output voltage is controlled by feeding
back a turn-off pulse by means of T2, thus causing Q2 to
turn on earlier.

A voltage clamp winding is bifilar wound with the primary
to limit voltage overshoots on the drain of Q1 at turn-off,
thus ensuring that the transistor operates within its voltage
rating.

201

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 6  Circuit diagram of 50W S.M.P.S.

Maximum throughput power is determined by the value of
R5: the higher its resistance value, the lower the maximum
power. The same drive and control circuit can be used for
different

throughput powers,

ETD

core

sizes

and

powerMOS transistors.

The 5V secondary uses a single plastic TO-220 Schottky
diode, the PBYR1635 shown as D8. The output filter is a
pi type giving acceptable output ripple voltage together with
good transient response. Two electrolytic capacitors are
used in parallel, C11a/C11b (to accommodate the ripple
current inherent in flyback systems), together with a small
inductor wound on a mushroom core, L4, and a second
capacitor, C14.

The turn-off pulse is created, cycle-by-cycle, by charging a
capacitor from the output and comparing it with a reference,
D10 and by using the transition signal to feed back a turn-off
pulse via transformer T2. A potential divider is present

across the output 5V rail, consisting of R10, R11 and R12,
via Q3. The potential divider controls the base voltage of
the transistor Q4, which charges capacitor C16 via R13.
The voltage on C16 ramps up to a voltage equal to that on
the base of the transistor less the V

BE

, causing Q4 to switch

off. The capacitor continues to charge more slowly via
resistor R14, i.e. a ramp and pedestal (see Fig. 8), until the
voltage on the emitter of Q5 is equal to the voltage
determined by the band-gap reference D10 (2.45V) plus
the V

BE

drop of Q5. When this voltage is reached, Q5

switches on, causing Q6 to switch on, pulling Q5 on harder.
The edge produced is transmitted across T2 and adds to
the voltage on the base of Q2. Transistor Q3 is there to
maintain the voltage level at the end of the ’on’ period of
the waveform to prevent premature switching. Capacitor
C16 is reset by diode D9 on the edge of the switching
waveform of the schottky diode, D8.

202

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 7  BUK456-800A powerMOS transistor switching

waveforms.

Top trace - Drain voltage  V

DS

  200V/div

Bottom trace - Source current  I

S

  1A peak (across R5)

Timebase      -  5

µ

s/div

Fig. 8  Ramp and pedestal control waveforms across

C16 = 1V/div, 5

µ

s/div.

Performance

The performance of the supply is as follows:- the 5V output
has load regulation of 1.2% from 0.5A to 5A load current.
The line regulation is 0.5% for 187V to 264V a.c. mains
input voltage.

The 12V secondaries are unregulated, and therefore have
an inferior regulation compared to the 5V output. Each rail
has a load regulation of 6% from open-circuit to full load.
This is adequate for typical microcomputer peripheral
requirements.

The efficiency of the power supply is typically 80%. The
ripple and noise on all outputs is less than 75mV peak to
peak. The radio frequency interference is less than 50dB
(above 1

µ

V) from 150kHz to 30MHz and complies with

VDEO875 and BS800, based on a 150

V network. See

Fig. 9. The transient response of the 5V output due to a 2A
to 5A step load change gives a deviation of 100mV.

Fig. 9  Conducted R.F.I. on the supply terminals

complying with VDE0875 and BS800.

Conclusion

A novel Self Oscillating Power Supply has been introduced
featuring two recently developed products, increasing the
cost effectiveness and efficiency of low-power SMPS:-

The new ETD34 two-part coil transformer featuring:

* solving of isolation problems

* standard ’plug-in’ primaries

* suitable for automatic winding

* ETD system compatible.

The 3C85 ferrite material offers:

* 30% lower loss than 3C8

* comparable price with 3C8

* high frequency operation, up to 150kHz

* improved quality

203

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Magnetics Design

205

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

2.4.1  Improved Ferrite Materials and Core Outlines for High

Frequency Power Supplies

Increasing switching frequency reduces the size of
magnetic components. The current trend is to promote
SMPS miniaturisation by using this method. The maximum
switching frequency used to be limited by the performance
of available semiconductors. Nowadays however, Power
MOSFETs are capable of square-wave switching at 1MHz
and beyond. The ESL of the output capacitor had until
recently limited any major size reduction in output filter
above 100kHz. The advent of multi-layer ceramic capacitor
stacks of up to 100

µ

F removed this obstacle. This allowed

the operating frequency to be raised significantly, providing
a dramatic reduction in the size of the output filter (by an
order of magnitude). The transformer has now become the
largest single component in the power stage, and reducing
its size is very important. The transformer frequency
dependent core losses are now found to be a major
contributing factor in limiting the operating frequency of the
supply.

Part 1 of this section highlights the improvements in ferrite
material properties for higher frequency operation. The
standard 3C8 with its much improved version the 3C85 are
discussed. However, the section concentrates on the new
high frequency power ferrite, 3F3. This material features
very low switching losses at higher frequencies, allowing
the process of miniaturisation to be advanced yet further.

The popular ETD system shown in Fig. 1 is also outlined,
and used as an example to compare the losses obtained
with the above three materials.

In Part 2, the new EFD (Efficient Flat Design) core shape
is introduced. These cores have been specifically designed
for applications where a very low build height is important,
such as the on-card d.c. - d.c. converters used in distributed
power systems.

Circuit topologies suitable for high frequency applications
are considered in the final part. Optimum winding designs
for the high frequency transformer, which maximise the
throughput power of the material are described.

PART 1:  Improved magnetic materials

The ETD core system

The very widely used ETD core shape is shown in Fig. 1,
which also outlines the method of coil-former assembly.
The ETD range meets IEC standardisation, and is based
on an E-core shape with a round centre pole. This permits
easy winding especially for copper foil and stranded wire.
The ETD system includes coil-formers into which the cores
are clipped for quick, simple and reliable assembly. The

coil-formers are designed for automatic winding and enable
conformance with all standard safety specifications
including UL.

ETD cores are suitable for a wide range of transformer and
inductor designs, and are very commonly featured in off-line
power supply transformers because the ease of winding
allows insulation and creepage specifications to be met.

Fig. 1  The ETD core and assembly system.

Core materials

Three types of ferrite core material are compared. The
standard 3C8 which is applicable for 50kHz use, the popular
3C85 which is usable at up to 200kHz, and the new high
frequency core material 3F3, which has been optimised for
use from 200kHz upwards.

The throughput power of a ferrite transformer is, neglecting
core losses, directly proportional to (amongst other things)
the operating frequency and the cross-sectional area of the
core. Hence for a given core, an increase in the operating
frequency raises the throughput power, or for a given power
requirement, raising the frequency allows smaller cores and
higher power densities. This is expressed by the following
equation:-

where W

d

is the winding parameter, C

d

is the core design

parameter, f is the switching frequency and B is the
induction (flux density) in Tesla.

Unfortunately, the core losses are also frequency
dependent, and increasing frequency can substantially
increase the core losses. Thus an increase in the core
volume is required to maintain the desired power
throughput without overheating the core. This means the
transformer bulk in a higher frequency supply could limit
the size reduction target.

P

th

=

W

d

×

C

d

×

f

×

B

207

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The new 3F3 material with low-loss characteristics at high
frequencies will reduce this problem, allowing new levels
of miniaturisation to be obtained. An example of the
practical size (and weight) reduction possible by moving to
higher operating frequencies is given in Fig. 2. In
comparison with the 50kHz examples, there is a significant
reduction in transformer size when switched at 500kHz, and
an even more impressive shrinking of the output inductor
when operated at 1MHz.

Fig. 2  Size reduction possible using 3F3 ferrite.

Note. The size of the output capacitor and inductor required
to filter the high frequency output ripple components is
greatly reduced - up to 90% smaller, resulting in excellent
volume savings and very low ripple outputs.

Fig. 3  Performance factor (f.B

max

) as a function of

frequency for material grades 3C8, 3C85 and 3F3.

The performance factor (f.B

max

) is a measure of the power

throughput that a ferrite core can handle at a loss of
200mW/cm

3

. This level is considered acceptable for a well

designed medium size transformer. The performance
factors for the three different material grades 3C8, 3C85
and 3F3 are shown in Fig. 3. For frequencies below 100kHz
(the approximate transition frequency, f

t

) the power

throughput is limited by core saturation and there is not
much difference between the grades. However for
frequencies above 100kHz, core loss is the limitation, which
reduces

the

allowable

throughput

power

level

by

overheating the core. Therefore, in order to utilise higher
frequencies to increase throughput power or reduce core
size, it is important that the core losses must first be
minimised.

Reducing the losses

There are three main identifiable types of ferrite material
losses: namely, hysteresis, eddy current and residual.

Hysteresis loss

This occurs because the induced flux, B, lags the driving
field H. The B/H graph is a closed loop and hysteresis loss
per cycle is proportional to the area of the loop. This loss
is expressed as:-

where C

a

is a constant, B

pk

is the peak flux density, f is the

frequency with x and y experimentally derived values.

Eddy current loss

This loss is caused by energy from the magnetic flux, B,
setting up small currents in the ferrite which causes heat
dissipation. The energy lost is represented by:-

C

b

is a constant, A

e

is the effective cross-sectional core area

and

σ

is the material resistivity.

Residual/Resonant loss

Residual losses are due to the reversal of the orientation
of magnetic domains in the material at high frequencies.
When the driving frequency is in resonance with the natural
frequency at which the magnetic domains flip, there is a
large peak in the power absorption. This gives:-

where

P

hyst

=

C

a

×

f

x

×

B

pk

y

P

ec

=

C

b

×

f

2

×

B

pk

2

×

A

e

σ

P

res

=

C

c

×

f

×

B

pk

2

×

tan

δ

δ

tan

δ =

loss angle

=

µ

"

µ

µ = µ

+

j

µ

"

208

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Comparison of different materials

Fig. 4  Core losses in 3C85,3C8 and 3F3 for various

temperatures at 100kHz and 100mT.

These losses (in mW/cm

3

) are now presented for the three

material grades in a partitioned form. These are given for
various operating temperatures under two different
operating conditions. Fig. 4 shows performance at 100kHz
and a peak flux density of 100mT, which is typical for the
3C8 and 3C85 materials. The hysteresis loss is clearly
dominant at this frequency. Inspection reveals a reasonable
loss reduction when comparing 3C85 to the cheaper 3C8
grade. More significantly however, even at this lower
frequency the new 3F3 grade can be seen to offer
substantial loss reduction compared to 3C85 (especially at
lower operating temperatures).

Fig. 5  Core losses in 3F3 and 3C85 for various

temperatures at 400kHz and 50mT.

At higher operating frequencies well above 100kHz, eddy
currents and residual losses are far more dominant. Fig. 5
gives the values for 400kHz and 50mT high frequency
operation. This shows the superiority of the 3F3 material,
offering significant reductions (60% vs 3C85) in all
magnitudes, particularly in the eddy currents and residual
losses.

Figure 6 gives a comparison of the peak operating flux
density versus frequency at a core loss of 200mW/cm

3

for

each grade. This shows that the maximum allowable
operating frequency for 3F3 is always higher than for the
other two types, hence, making it much more suitable for
miniaturisation purposes. For example, at 100mT, 3F3 can
operate at 280kHz, compared to 170kHz for 3C85 and
100kHz for 3C8.

Fig. 6  Peak flux density versus frequency for 3F3,

3C85 and 3C8 at constant 200mW/cm

3

 core loss.

Figure 7 compares the three types of core material in terms
of complex permeabilities

µ

’ and

µ

" over the frequency

range 1 to 10 MHz, at very low flux density levels of < 0.1
mT. It can be seen that the resonant loss peaks at a higher
frequency for 3F3, producing much lower high frequency
residual losses right up to 1MHz.

Fig. 7  Complex permeability versus operating

frequency for 3F3 and 3C85/3C8.

209

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Material

3C8

3C85

3F3

B

sat

 (mT) at f = 25kHz

 320

 320

 320

H = 250A/m

A

L

P

V

A

L

P

V

P

V

A

L

P

V

P

V

Core type

±

 25%

Watts

±

 25%

Watts

Watts

±

 25%

Watts

Watts

nH/N

2

nH/N

2

nH/N

2

f

10kHz

25kHz

10kHz

25kHz

100kHz

10kHz

100kHz

400kHz

B

0.1mT

200mT

0.1mT

200mT

100mT

0.1mT

100mT

50mT

ETD29

-

-

2100

 0.8

 1.0

1900

 0.6

 1.0

ETD34

2500

 1.6

2500

 1.1

 1.3

2300

 0.85

 1.5

ETD39

2800

 2.2

2800

 1.6

 1.9

2600

 1.3

 2.3

ETD44

3500

 3.6

3500

 2.5

 3.0

3200

 2.0

 3.7

ETD49

4000

 4.6

4000

 3.4

 4.0

3600

 2.6

 5.2

Table 1. Comparison of material properties for the ETD range

Comparison of material grade properties
for the ETD range

The values shown in Table 1 are for a core set under power
conditions at an operating temperature of 100˚C.

3F3 offers a major improvement over existing ferrites for
SMPS transformers. With reduced losses across the entire
frequency range (but most markedly at 400kHz and higher)
3F3 enables significant reductions in core volume while still
maintaining the desired power throughput.

As well as the ETD range, 3F3 is also available in the
following shapes:-

• RM core

• P core

• EP core

• EF core

• E core

• ring core

• new EFD core

The new EFD core system which also offers size reduction
capabilities shall now be described.

PART 2:  The EFD core
(Economic flat design)

The newly developed EFD power transformer core system
shown in Fig. 8 offers a further significant advance in circuit

miniaturisation. Their low build height and high throughput
power density make them ideally suited to applications
where space is at a premium.

One such application is with distributed power systems,
which is becoming an increasingly popular method of power
conversion, especially in the telecommunication and EDP
market. Such power-systems convert a mains voltage into
an unregulated voltage of about 44 to 80V d.c. This is then
fed to individual sub-units, where d.c. - d.c. converters
produce the required stabilised voltages. These converters
are usually mounted on PCBs which in modern systems,
are stacked close together to save space. The d.c. - d.c.
converter, therefore, has to be designed with a very low
build height.

Fig. 8  The EFD core assembly and accessories.

210

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The low-profile design

The EFD core offers a significant reduction in transformer
core height. The ETD core combines extreme flatness with
a very high throughput power-density. The range consists
of four core assemblies complemented by a complete range
of accessories. It is planned that the EFD outline will
become a new European standard in d.c. - d.c. power
transformer design.

The four core assemblies have a maximum finished height
of 8mm, 10mm or 12.5mm. The type numbers are:-

• 8mm height

- EFD 15/8/5

• 10mm height

- EFD 20/10/7

• 12.5mm height

- EFD 25/13/9 and EFD 30/15/9

Figure 9 shows that the EFD range has a lower build height
than any other existing low profile design with the same
magnetic volume.

Integrated product design

Because there is no room in a closely packed PCB for
heavily built coil formers, they must be as small and light
as possible. For this reason high quality thermo-setting
plastics are used. This ensures that the connecting pins in
the base remain positioned correctly.

To ensure suitability for winding equipment the connecting
pins have been designed with a square base, saving time
in wire terminating. To allow thick wire or copper foil
windings to be easily led out, both core and coil former have
a cut-out at the top (see Fig. 8).

To increase efficiency and reduce size, the ferrite core has
been designed with the centre pole symmetrically
positioned within the wound coil former. This is clearly
shown in the cross-sectional view in Fig. 10.

Because of this, the full winding area can be used, resulting
in an extremely flat design which is ideally suited for
surface-mounting technology (SMT). SMT designs are
already under consideration.

Maximising throughput power-density

Besides their extreme flatness, the most important feature
of the EFD transformer is the very high throughput power
density. This is especially true when the core is
manufactured from the high-frequency low loss 3F3
material, which was described in the previous section.
Combining EFD with 3F3 can provide throughput power
densities (in terms of transformer volume) between 10 and
20 W/cm

3

. Furthermore, with a usable frequency range from

100kHz to 1MHz, the EFD transformer will cover most
applications.

Fig. 9  EFD build height compared to existing designs.

Fig. 10  Cross-section of EFD based transformers.

211

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 11  Temp rise versus P

th

 for ETD based transformers

Fig. 12  P

th

 for forward mode transformers based on

with 3F3 material.

EFD core with 3F3 material.

As described earlier, high frequency transformer design
(above 100kHz) is mainly limited by the temperature rise,
caused by heat dissipation from the high frequency core
losses as well as the power dissipation in the windings
themselves. So the extent of transformer miniaturisation at
high frequencies is limited by this rise in temperature (The
curie temperature of a typical power ferrite material is
around 200˚C). As a general rule, maximum transformer
efficiency is reached when about 40% of the loss is in the
ferrite core, and 60% in the windings. The temperature rise
for a range of throughput powers for transformers based
on the EFD range in 3F3 material is shown in Fig. 11.

In order to optimise the core dimensions and winding area,
a sophisticated computer aided design (CAD) model of a
d.c. - d.c. forward mode converter was used. This predicted
the temperature rise of the transformer as a function of
throughput

power.

The

following

parameters

were

assumed:-

Ferrite core - 3F3.

V

in

= 44V to 80V;

V

out

= 5V, +12V and -12V.

T

amb

= 60˚C;

T

rise

= 40˚C.

Primary - Cu wire;

Secondary - Cu foil.

(Split sandwiched winding with 2 screens).

The CAD program was used to find an optimised design
for the EFD transformer at well chosen frequency bands.
The dotted line in Fig. 12 indicates the theoretical result
derived from the CAD model. This shows in practice how
well the EFD range approximates to the ideal model. The
open circle for EFD 15/8/5 in Fig. 12 indicates the maximum
optimal switching frequency.

From these results the range was grouped, depending upon
core size into their optimal frequency bands.

• 100 to 300kHz - EFD 30/15/9 and EFD 25/13/9.

• 300 to 500kHz - EFD 20/10/7.

• 500kHz to 1MHz - EFD 15/8/5.

These are the recommended frequency ranges for each
EFD type. The transformers can operate outside these
ranges, but at a reduced efficiency, since the ratio of their
core to winding areas would be less than ideal. Table 2 lists
the power throughput at certain frequencies for each EFD
core.

Core type

100 kHz

300kHz

500kHz

1MHz

EFD 30/15/9

90 - 100 W

110-140W

--

--

EFD 25/13/9

70 - 85 W

90 - 120 W

--

--

EFD 20/10/7

--

50 - 65 W

55 - 70 W

--

EFD 15/8/5

--

--

20 - 30 W

25 - 35 W

Table 2. Power handling capacity for EFD range.

Valid for single-ended forward d.c. - d.c. converter
(V

in

= 60V; V

out

= 5V)

Typical EFD throughput power curves given in Fig. 13 show
the performance of the low loss 3F3 material as well as
3C85. These results were confirmed from measurements
taken during tests on EFD cores in a transformer testing
set up. As expected these show that, especially above
300kHz, the 3F3 (compared to 3C85) significantly improves
throughput power.

212

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 13  ETD performance for 3F3 and 3C85 material.

PART 3:  Applications

Circuit (transformer) configurations

Forward, flyback and push-pull circuit configurations have
been

used successfully

for

many different

SMPS

applications. This includes mains-isolated square-wave
switching over the frequency range 20-100kHz, and with
output powers up to 200W. Recent transformer designs
have been developed to minimise the effects of leakage
inductance and stray capacitance upon these circuits. The
influences of the transformer characteristics on the choice
of circuit configuration for higher switching frequency
applications are now discussed.

The flyback converter

The flyback converter shown in Fig. 14 has leakage
inductance between the primary and secondary windings
which delays the transfer of power when the primary power
transistor turns off. For the example waveforms shown in
Fig. 14, the delay lasts for 600ns. During this time, power
is returned to the d.c. supply. The circulating power
increases with the switching frequency, and in this case
would produce 50W at 1MHz. This tends to limit the
maximum operating frequency for flyback converters.

The forward converter

The power transistor in the forward converter shown in
Fig. 15 normally has a snubber network (and stray circuit
capacitance) which protects the transistor at turn-off. This
is necessary because the energy stored in the leakage
inductance between the primary and secondary windings
would produce a large voltage spike at transistor turn-off.

At transistor turn-on the energy stored in the capacitance
is discharged and dissipated. For the example waveforms
given in Fig. 15, this would be 7.5W at a switching frequency
of 1MHz. Furthermore, as in the flyback converter, the
circulating magnetising power can also be as high as 50W

at 1MHz, hence reducing the efficiency of the transformer.
These characteristics limit the maximum frequency at which
forward converters can be usefully applied.

Fig. 14  Flyback converter and leakage inductance

effect.

Centre-tapped push-pull converter

The centre-tapped push-pull circuit configuration given in
Fig. 16 uses magnetic B/H loop symmetry when driving the
transformer. Therefore, when either transistor is turned off,
the magnetising current is circulated around the secondary
diodes, thereby reducing energy recovery problems or the
need for voltage clamping.

However, the transformer must be correctly "flux balanced"
by monitoring the current in the transistors to prevent
transformer saturation and subsequent transistor failure.

The drain current and voltage waveforms resulting from two
examples of push-pull transformer winding construction are
also shown in Fig. 16. In Fig. 16(a) (most serious case) the
leakage inductance has distorted the waveforms. In
Fig. 16(b) it is the circuit capacitance which produces the
distortion. These distortions mean that the transistor current

Flyback

L

L - leakage inductance

500ns

500mV

2V

5mV

213

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

sense waveforms must be adequately filtered, so that the
control circuit can vary mark/space correctly and prevent
transformer saturation.

Fig. 15  Forward converter and effects of parasitics.

As the switching frequency is increased, the accuracy of
the current balancing information is reduced by the action
of the filtering and there might be a point at which this
becomes unacceptable. The filter itself is also dissipative
and will also produce a high frequency loss.

The half-bridge converter

The half-bridge push-pull transformer shown in Fig. 17 is
inherently self-balancing. Standard winding methods for
transformer construction using this configuration are
possible at frequencies up to around 1MHz. Fig. 17 also
gives waveform examples for the half-bridge transformer.
This design allows the most flexibility when choosing a
particular switching frequency.

(a) Oscillation due to leakage inductance.

(b) Oscillation due to winding capacitance.

Fig. 16  Push-pull transformer configuration.

L

C

W1

W2

TR1

TR2

Centre-tapped push-pull

W1 - Primary Limb 1
W2 - Primary Limb 2

L

L - leakage inductance

C

TR

Lprim

C - snubber capacitor

Lprim - primary inductance

TR - transistor

Forward

50mV

1us

1V

50mV

2V

50mV

1us

200mV

500ns

5V

214

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Switching frequency

When designing a transformer and calculating the core loss,
the exponent for frequency in the hysteresis loss equation
is assumed to be constant at all frequencies. Only the
fundamental is considered significant compared to all other
harmonics of the square wave. This is a reasonable
approximation to make from 20kHz to 100kHz because the
contribution of eddy losses and resonant losses to the
overall core loss is negligible (see Fig. 4).

As the frequency increases to 1MHz and beyond, the
resonant and eddy current losses contribute proportionally
more to the overall core loss. This means that the harmonics
of a 1MHz square wave have more significance in
determining the core loss than those at 100kHz. When the
mark/space is reduced, the harmonics increase, and the
loss will increase proportionally. This effectively limits the
upper frequency of a fixed frequency square-wave,
mark/space controlled power supply. However, as outlined,
new materials such as 3F3 have been specially developed
to keep these high frequency transformer losses as low as
possible.

Transformer construction

In the half-bridge push-pull configuration of Fig. 17, during
the period that the two primary transistors are off, there is
zero volts across the secondary winding. Therefore, the
secondary diodes are both conducting and share the choke
current. The primary side should also have zero volts across
it, but it rings because of the stray capacitance and leakage
inductance between the primary and the secondary
windings (see waveform of Fig. 17). At 500kHz, using an
ETD29 or an EFD20 core, for example, a 1+1 copper strip
secondary winding is suitable for providing an output of 5V.
This is preferable to using more turns for the secondary
winding because the leakage inductance and the amplitude
of the ringing during the period that the MOSFETs are off
is minimised. Reducing the ringing is of vital importance for
the following reasons:-

1. It prevents the anti-parallel diode inherent in the upper
MOSFET switch from conducting when the lower transistor
is turned on. This will increase the MOSFET dV/dt rating
typically by a factor 10, allowing the switching speed to be
maximised and the switching losses to be reduced.

2. For low voltage outputs, the ringing will only be slightly
reduced by the 1+1 construction. However, the core losses
increase significantly at the actual frequency of the ringing
(5-10MHz). Hence, any reduction in the ringing amplitude
will be beneficial to core loss.

To further optimise the operation of the transformer, and
reduce the ringing, the output clamping diodes should be
operated with the minimum of secondary leakage
inductance

and

mounted

physically

close

to

the

transformer.

Fig. 17  Half-Bridge transformer configuration with

typical waveforms.

Conclusions

To advance the trend towards SMPS miniaturisation,
low-loss ferrites for high frequency have been specially
developed. A new ferrite material has been presented, the
3F3, which offers excellent high-frequency, low loss
characteristics.

A wide range of power ferrite materials is now available
which offers performance/cost optimisation for each
application. The particular SMPS application slots for the
three ferrites discussed in this paper are summarised as
follows:-

•  3C8 for low-cost 20-100kHz frequency range.

•  3C85 for high performance 20-150kHz.

•  3F3 for miniaturised high performance power supplies in

the frequency range above 150kHz.

L

TR1

TR2

L

Half-bridge push-pull

prim

200mV

500ns

2V

215

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

A new type of power core shape, the EFD was also
introduced. The use of the EFD core also allows further
SMPS miniaturisation by providing extremely low build
heights in conjunction with very high throughput power
densities. Optimum use of the EFD design can be made if
the 3F3 material grade is selected. The EFD system is
intended for applications with very low height restrictions,
and is ideal for use in the d.c. - d.c. converter designs found
in modern distributed power systems.

Different transformer winding configurations were also

described (particularly for mains isolated SMPS.) It was
found that to obtain the greatest size reduction using the
new 3F3 material at very high frequencies, the following
application ideas are useful:-

•  Use the half-bridge push-pull circuit configuration.

•  Minimize the transformer leakage inductance by careful

winding construction.

•  Minimise the lead-lengths from the transformer to rectifier

diodes.

216

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Resonant Power Supplies

217

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

2.5.1.  An Introduction To Resonant Power Supplies

Whilst many application requirements can be satisfied by
the use of conventional switching topologies, their
shortcomings, particularly the switching losses in high
power / high frequency circuits, are becoming a serious
limitation. Some of the problems can be overcome by the
use of resonant, or quasi-resonant, converters.

A resonant converter is a switching converter in which the
natural resonance between inductors and capacitors is
used to shape the current and voltage waveforms.

There are many ways in which inductors, capacitors and
switches can be combined to form resonant circuits. Each
of

the

configurations

will

have

advantages

and

disadvantages in terms of stress placed on the circuit
components.

To reduce switching loss, a resonant converter which allows
the switching to be performed at zero current and low dI/dt
is needed. A range of such circuits can be produced by
taking any of the standard converter topologies and
replacing the conventional switch with a resonant switch.

Fig.1  Basic resonant switch circuits

Resonant switch

A resonant switch consists of an active element (the switch)
plus an additional inductor, L, and capacitor, C. The values
of L and C are chosen so that, during the on time of the
switch, the resonant action between them dominates. This
ensures that the current through the switch, instead of just
increasing linearly and having to be turned off, forms a
sinusoid which rises to a peak and falls to zero again.

Two basic resonant switch configurations are shown in
Fig.1. Before the switch is closed, C is in a state where it
has a small negative charge. With the switch closed, C is
discharged into L and then recharged positively. During the
recharging extra energy is drawn from the supply to replace
that delivered to the load during the previous cylce. With C
charged positively, the switch is opened. The energy in C
is now transfered to the load, either directly or via the main
inductor of the converter. In the process of this transfer, C
becomes negatively charged.

Figure 2 shows the three basic SMPS topologies - buck,
boost and buck / boost - with both conventional (a) and
resonant (b) switches. It should be noted that parasitic
inductance and capacitance could form part, or even all, of
the components of the resonant network.

Fig.2 

Standard SMPS circuits using
(a) conventional switch
(b) resonant switch

Flyback converter

To show how the resonant switch circuit reduces switching
loss we will now consider the operation of the flyback
converter, firstly with a conventional switch and then with
a resonant switch.

219

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Conventional switch

The basic flyback converter circuit is shown in Fig.3(a). If
the transformer is assumed to have negligible leakage
inductance it can be replaced by a single equivalent
inductor Lm and the circuit becomes as shown in Fig.3(b),
which is the same as a buck-boost converter shown in Fig.2.

Before the switch S is closed, a current Io will be flowing in
the loop formed by Lm, diode D and the output smoothing
capacitor Co. When S closes, voltage Es reverse biases
the diode, which switches off and blocks the flow of Io. A
current Is then flows via S and Lm. The only limitations on
the initial rate of change of current are the stray inductance
in the circuit and the switching speed of S. This means that
switching current Is rises very quickly, leading to large
turn-on losses in S and D.

Fig.3 

Conventional switch flyback converter
(a) circuit
(b) equivalent circuit

The current Is rises linearly from Io until the switch is forced
to reopen. The diode is then no longer reverse biased and
the current switches back from Is to Io via D, with Co then
acting as a voltage source. The losses in this switching will
also be very high due to the high level of Is and the rapid
application of the off-state voltage. Io now falls linearly,
delivering a charging current to Co, until the switch closes
again.

Figure 4 shows the current waveforms for Io and Is and the
current in inductor Lm.

Fig.4  Waveforms for conventional switch flyback

converter

Resonant switch

The resonant switch flyback converter circuit is shown in
Fig.5(a). The equivalent circuit (Fig.5 (b)) is the same as
that for the conventional switch except for the addition of
the inductor La and capacitor Ca whose values are very
much less than those of Lm and Co respectively.

Fig.5 

Resonant switch flyback converter
(a) circuit
(b) equivalent circuit

220

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.6 

Resonant switch flyback converter
operating modes
(a) Mode 1: S close , D on
(b) Mode 2: S closed, D off
(c) Mode 3: S open, D off
(d) Mode 4: S open, D on

If it is assumed that the switch is closed before the current
in Lm has fallen to zero, then the initial equivalent circuit
will be as shown in Fig.6(a). The rate of rise of current in S
is determined by the value of La which, although small, is
much larger than the stray inductance that limits current
rise in a conventional switch. Turn-on losses are thus
significantly reduced. Co, being much larger than Ca, acts
as a voltage source (Vo) preventing current from flowing
into Ca and maintaining a constant rate of change of current
in Lm. Ia will increase linearly until it equals Im at which
time Io is zero and diode D turns off.

With D turned off, the equivalent circuit becomes as shown
in Fig.6(b). The resonant circuit, La, Ca and Lm, causes Ia
to increase sinusoidally to a peak and then fall back to zero.
S can then be opened again with very low losses.

With the switch open, the circuit is as shown in Fig.6(c).
The resonant action between Ca and Lm causes energy to
be transferred from the capacitor to the inductor. Vc will fall,
passing through zero as Im reaches a peak, and then will
increase in the opposite direction until it exceeds Vo. At
which point D becomes forward biased, so it will turn on.

As D turns on (Fig.6(d)) the voltage across Ca becomes
clamped and Im now flows into Co. Im falls linearly until the
switch is closed again and the cycle repeats.

Voltage and current waveforms for a complete cycle of
operation are shown in Fig.7.

From the description of operation it can be seen that the
reduced switching losses result from:

- La acting as a di/dt limiter at switch on

- The resonant circuit La, Lm and Ca ensuring that the

current is zero at turn-off

These factors combine to allow the switching devices to be
operated at higher frequencies and power levels than was
previously possible.

Circuit design

Correct operation of a resonant switch converter depends
on the choice of suitable values for the inductors and
capacitors. It is not possible to determine these values
directly but they can be selected using simple computer
models. An example of a model for a resonant switch
flyback converter is given below to demonstrate the basic
technique that can be used to analyse many different types
of resonant circuits. Writing the final computer program will
be a simple task for anyone with proramming experience
and the model will run relatively quickly on even small
personnel computers.

Circuit analysis

Here we analyse the operation of a resonant flyback
converter circuit in mathemtical terms, assuming ideal
circuit components.

In the equivalent circuit of the flyback converter, Fig.5(b),
there are two switching elements S and D and the circuit
has four possible modes of operation:

Mode 1

S closed

D on

Mode 2

S closed

D off

Mode 3

S open

D off

Mode 4

S open

D on

221

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.7  Waveforms for resonant switch flyback converter

Using Laplace analysis of the equivalent circuit for each
operating mode, equations can be written for Ia, Ic, Im, Io
and Vc.

J and U are the values of, Im and Vc respectively at the
start of each operating mode i.e. when t = 0.

Mode 1

Figure 6(a) shows the equivalent circuit when S is closed
and D is on. The large output capacitor Co as shown acts
as voltage source (Vo).

The equations are:

Mode 2

Figure 6(b) shows the equivalent circuit when S is closed
and D is off.

The equations are:

where,

Ia

=

J

+

A1

.

t

+

A2

A1

ω

1

.

sin

1.t

)

Im

=

J

+

A1

.

t

+

A3

A1

ω

1

.

sin

1.t

)

Ic

=

Ia

Im

Vc

=

U

+

Lm

.(

Es

U

) −

La

.

U

La

+

Lm

.(

1

cos

1.t

))

Io

=

0

Ia

=

Es

U

La

.

t

A1

=

Es

La

+

Lm

Im

=

U

Lm

.

t

+

J

A2

=

Es

U

La

Ic

=

0

Vc

=

U

A3

=

U

Lm

Io

=

Im

Ia

222

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Mode 3

Figure 6(c) shows the equivalent circuit when S is open and
D is off.

The equations are:

where,

Mode 4

Figure 6(d) shows the equivalent circuit when S is open and
D is on.

The equations are

Computer simulation

Using the previous equations, it is possible to write a
computer program which will simulate the operation of the
circuit.

If S is closed before Im falls to zero, then during a complete
cycle each of the operating modes occurs only once, in the
sequence mode 1 to mode 4.

The first function of the program is to determine the duration
of each mode.

Mode 1

The time between the switch turning on and the current Ia
reach Im is given by:

J1, the initial value of Im chosen by the designer, determines
the average output current. U1 is the initial value of Vc. If
Im is greater than zero, D will still be on so Vc and therefore
U1 will equal Vo.

Mode 2

The duration, T2, of the second mode cannot be found
directly and must be determined by numerical methods. T2
ends when Ia falls back to zero, so by successive
approximation of t in the mode 2 equation for Ia, it is possible
to find T2.

J and U at the start of mode 2, i.e., J2 and U2, are found
by solving the mode 1 equations for Im and Vc respectivley
at t = T1.

For any given set of circuit values there is a value of J1
above which Ia will not reach zero. This condition has to be
detected by the program. Decreasing the value of La or
increasing the value of Lm or Ca will allow Ia to reach zero.

Mode 3

Mode 3 operation ends when Vc = Vo. The duration, T3, is
given by:

where,

and J3 and U3 are the values of Im and Vc respectively at
the start of mode 3.

Mode 4

If the circuit operation is stable then the value of Im, when
S is again closed, will equal J1 and the duration of the mode
will be

Where J4 and U4 are the values of Im and Vc at the start
of mode 4.

Calculation of Io and Vs

Having found the durations of the four modes, the average
output current in D can be calculated, from:

Peak, RMS and average values of the current in S (Ia) can
be determined by numerical analysis during modes 1 and
2. The voltage across S is given by

ω

1

=

√

La

+

Lm

Lm

.

Ca

.

La

Ia

=

0

Im

=

J

.

cos

2.t

) +

U

Lm

2

.

sin

2.t

)

Ic

= −

Im

Vc

=

U

.

cos

2.t

) +

J

Ca

2

.

sin

2.t

)

Io

=

0

ω

2

=

√

1

Lm

.

Ca

T3

=

1

ω

2.

cos

1

Vo

√

U3

2

+

A4

2

tan

1

A4

U3

Ia

=

0

A4

=

J3

Ca

2

Im

=

J

+

U

Lm

.

t

Ic

=

0

Vc

=

U

Io

=

Im

T4

=

Lm

.(

J4

J1

)

U4

Io

(

av

) =

T4

.(

J4

+

J1

) +

T1

.

J1

2.

(

T1

+

T2

+

T3

+

T4

)

T1

=

J1

.

Lm

.

La

Lm

.(

Es

Vo

) −

U1

.

La

223

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

These values will be needed when the components S and
D are chosen.

Conclusions

Resonant combinations of inductors and capacitors can be
used to shape the current and voltage waveforms in
switching converters. This shaping can be used to:

- reduce RFI and EMI,

- eliminate the effects of parasitic inductance and

capacitance,

- introduce a degree of self limiting under fault

conditions,

- reduce switching losses.

The resonant switch configuration is one way of reducing
switching losses in the main active device. It can be adapted
for use in all the standard square wave circuit topologies
and with all device types.

Although the analysis of resonant circuits is more complex
than the analysis of square wave circuits, it is still
straightforward if the operation of the circuit is broken down
into its different modes. Such an analysis will yield a set of
equations which can be combined into a computer program,
to produce a model of the system which can be run relatively
quickly on even small computers.

Vs

=

Es

Vc

224

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

2.5.2.  Resonant Power Supply Converters - The Solution For

Mains Pollution Problems

Many switch mode power supplies which operate directly
from the mains supply, use an electrolytic buffer capacitor,
after the bridge rectifier, to smooth the 100/120 Hz ripple
on the DC supply to the switching circuit. This capacitive
input filter causes mains pollution by introducing harmonic
currents and therefore cannot be used in supplies with
output powers above 165W. (TV, IEC norm 555-2, part 2:
Harmonics, sub clause 4.2).

The smoothing capacitor can be charged only when the
mains voltage is greater than the DC voltage. Therefore the
input current will take the form of high amplitude, short
duration pulses. For comparison, the load current for a
220W resistive load (an RMS current of 1A for 220V
mains/line) and the load current for a 220W rectifier with
capacitive input buffer are shown in Fig. 1.

The peak value of the current with the capacitor load is 5
times higher than for the resistive load, while the RMS
current is doubled. It is understandable that the electricity
supply authorities do not like this kind of load, because it
results in high levels of harmonic current and a power factor
below 0.5. It is, therefore, necessary to find alternative
methods of generating a smooth DC voltage from the
mains.

The PRE-CONVERTER switched mode supply is one
possible solution. Such a converter can operate from the
unsmoothed rectified mains/line voltage and can produce
a DC voltage with only a small 100/120 Hz ripple. By adding
a HF transformer it is possible to produce any value of DC
voltage and provide isolation if necessary.

By proper frequency modulation of the pre-converter, the
input current can be made sinusoidal and in-phase with the
voltage. The mains/line now ’sees’ a resistive load, the
harmonic distortion will be reduced to very low levels and
the power factor will be close to 1.

A pre-converter has to be able to operate from input
voltages between zero (at the zero crossings) and the peak
value of mains/line voltage and still give a constant output
voltage.

The SMPS converter that can fulfil these

conditions is the ’flyback’ or ’ringing’ choke converter. This
SMPS converter has the boost and buck properties needed
by a pre-converter. However, the possibility of stability
problems under ’no load’ operation and its moderate
conversion efficiency, means that this converter is not the
most attractive solution for this application.

a) Resistive Load

b) Capacitor Filter

Fig. 1  Current taken from mains

The RESONANT POWER SUPPLY (RPS) has the right
properties for pre-converter systems. The boost and buck
properties of a resonant L-C circuit around its resonant
frequency are well known. In principle any current can be
boosted up to any voltage for a PARALLEL RESONANT
L-C circuit. Furthermore, the current and voltage wave
forms in a resonant converter are more or less sinusoidal,
resulting in a good conversion efficiency and there are no
stability problems at no load operating conditions.

Resonant pre-converter circuits

There are two basic resonant power supply (RPS)
principles that can be considered, namely:

- The SERIES RESONANT POWER SUPPLY (SRPS),

where a series resonant L-C circuit determines the no load
operation cycle time. The output power increases with
increasing operation cycle time (thus with decreasing
operation frequency).

Iin

1A/div

Iin

1A/div

225

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

- The PARALLEL RESONANT POWER SUPPLY (PRPS),

where a parallel resonant L-C circuit determines the no
load operation cycle time. The output power increases
with decreasing operation cycle time (thus with increasing
operation frequency).

The basic SRPS converter circuit

A basic SRPS converter topology is shown in Fig. 2. For
simplicity in the following description, the input voltage Ep
is taken to be constant - 310 VDC for the 220VAC
mains/line. If the circuit is to appear as a ’resistive’ load to
the mains, then the output power of the pre-converter has
to be proportional to the square of the instantaneous value
of Ep. This means that the peak output power of the circuit
must be equal to twice the average output power. So a
250W pre-converter has to be delivering 500W when Ep is
at its peak.

Fig. 2  Basic SRPS Pre-converter Circuit

In Fig. 2, the semiconductor switch S1 has an anti-parallel
diode D1 to avoid a negative voltages across S1.
Principally, a diode in series with S1 also gives a suitable
SRPS pre-converter, but it slightly increases the positive
peak voltage on S1 without giving an advantage over the
circuit with anti-parallel diode. The lower value of the RMS
current in S1 and thus the reduction in its on-state losses
is completely cancelled by increased turn-on losses in this
device.

Furthermore, stability problems can occur under no load
conditions for the circuit with series diode (infinitely small
current pulses in S1). The circuit with anti-parallel diode has
no infinitely short current pulses under no load conditions,
because the positive current in S1 will be preceded by the
negative current in D1. As a result, no nett DC current is
supplied to the circuit at finite pulse widths.

The input inductance Lo forms the connection between the
input voltage and the switch voltage Vsw. A ’SERIES’
resonant L-C circuit, consisting of the capacitor Cp (when
both S1 and D1 are OFF), the inductance Ls, the DC voltage
blocking capacitor Cb and the capacitor Cs (when B1 is
OFF), determines the no load operation frequency. The
influence of the input inductance Lo can be neglected if its
value is several times that of Ls.

A practical SRPS pre-converter for 250W nett output power
(500W peak power conversion) can have component
values shown in Table 1.

Fig. 3  Waveforms of Basic SRPS Circuit

(Tcycle = 1.01 x Tref, no load, Ep = 310V)

Capacitor Cp changes the voltage waveform across switch
S1/D1 from the rectangular shape associated with SMPS
converters, to the sinusoidal shape of an SRPS converter.

Vsw

500V
/div.

Isw

5A/div

S1

D1

Lo

Ls

Isw

Io

Vsw

Cb

Cs

Is

Vb

Vs

Cout

+Eo

0

Cp

Cin

+Ep

0

 B1

Vs

500V
/div.

Is

5A/div

226

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Lo

4 mH

8 x Ls

Cp

16 nF

Cs / 1.5

Ls

500 

µ

H

Cs

24 nF

Cb

360 nF

15 x Cs

Tref

13.3 

µ

s

minimum cycle time

Table 1  Component Values for SRPS circuit

The output rectifier bridge B1 has been connected in
parallel with the output capacitor Cs. The whole converter
also can be viewed as a parametric amplifier, where the
switch S1 or the diode D1 modulate the value of Cp between
Cp and infinity, while the output bridge B1 has similar
influence on the value of the capacitor Cs. Heavier load
means longer conduction of S1/D1 and of B1, so that some
automatic frequency adaptation of the SRPS circuit takes
place at operation frequencies below the no load resonant
frequency. The output power of the SRPS increases with
decreasing operation frequency.

Fig. 3 shows time plots of some of the voltages and currents
of the basic SRPS circuit for the minimum ON time of S1/D1.

Under no load operation, the voltage Vsw is a pure sine
wave superimposed on the input voltage with an amplitude
equal to this voltage. The operation cycle time is
approximately equal to the series resonant circuit cycle
time, Tref, for no load conditions. The voltage Vsw and Vs
and the current Is are sine waves with a low harmonic
distortion. The input current Io is a low amplitude sine wave
and it has no DC component for zero load.

In order to give an impression of the boosting properties of
the SRPS converter, the no load voltages and currents for
an operation cycle time of 1.25 x Tref are plotted in Fig. 4.

Fig. 3 gives the minimum ’ON’ time condition for the S1/D1
switch and thus the minimum output voltage amplitude for
a given input voltage. The minimum ratio of the amplitude
of Vs and the input voltage Ep, with the component values
given earlier, has been found to be:

It will be obvious, that the value of the output voltage Eo
has to be in excess of the minimum amplitude of Vs. Thus:

A practical value of Eo has to be about 10% in excess of
this minimum value in order to deal with tolerances in
component values, thus:

Fig. 4  Waveforms of Basic SRPS Circuit

(Tcycle = 1.25 x Tref, no load, Ep = 310V)

To realise the situation shown in Fig. 4, the output voltage
Eo has to be increased considerably for no load operation
for the same Ep or Ep can be decreased considerably for
the same Eo. In fact, the relation between Eo and Ep in this
figure is found to be:

Vsw

500V
/div.

Isw

5A/div

Vs

500V
/div

Is

5A/div

Vs
Ep

=

0.7

Eo

>

0.7

×

Ep

Eo

>

0.8

×

Ep

Eo

>

2.7

×

Ep

227

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 5  Waveforms of Basic SRPS Circuit

(Tcycle = 1.462 x Tref, 500W output, Ep = 310V)

Finally, Fig. 5 shows the voltages and currents for full load
(Pout = 500W) at Ep = 310V and Eo = 300V. The input
current Io is not shown but is a DC current of 1.6A with a
small ripple current. The cycle time has been increased to
1.45 x Tref to get the 500W output power, giving an
operating frequency of about 50 kHz.

It should be noted that S1 has to switch ’OFF’ a high current
at a relatively high dV/dt, resulting in significant turn-off
losses. These losses are the main reason to prefer PRPS
over SRPS for pre-converter applications.

The basic PRPS converter circuit

A basic PRPS converter topology is shown in Fig. 6. Just
as for the basic SRPS pre-converter, we will assume a DC
supply voltage Ep of 310 Vdc and a peak output power of
500W, i.e. a nett output power of 250W average.

The topology of Fig. 6 (PRPS) is almost identical to the
topology of Fig. 2 (SRPS), except for the following points:

- Diode D1 is now in series with the switch S1 instead of in

anti-parallel.

- Capacitor Cp has been omitted.

Fig. 6  Basic PRPS Pre-converter Circuit

The value of the two inductors Lo and Ls remain the same
as they were in the SRPS, but the values of Cb and Cs are
changed to obtain proper PRPS circuit operation. Having
D1 in series with S1 does not lead to ’no-load’ stability
problems because, in the PRPS circuit, both the amplitude
and the duration of the S1 current pulse are reduced as the
output power decreases.

The input inductance Lo again forms the connection
between the input voltage Ep and the switch voltage Vsw
(across D1 and S1 in series). A ’PARALLEL’ resonant L-C
circuit, consisting of the series connection of Lo and Ls, the
DC voltage blocking capacitor Cb and the capacitor Cs
(both the switch S1 and the diode bridge B1 OFF) now
determines the no load operation frequency. The value of
the input capacitor Cin is chosen to be sufficiently large with
respect to Cs to be neglected with respect to the no load
operation frequency.

A practical PRPS pre-converter for 250W nett output power
(500W peak power) can have component values as shown
in Table 2.

Vsw

500V
/div.

Isw

5A/div

S1

D1

Lo

Ls

Isw

Io

Vsw

Cb

Cs

Is

Vb

Vs

Cout

+Eo

0

Cin

+Ep

0

B1

Vs

500V
/div.

Is

5A/div

228

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Lo

4 mH

8 x Ls

Ls

500 

µ

H

Cs

24 nF

Cb

48 nF

2 x Cs

Table 2  Component Values for PRPS circuit

To be able to put a full wave rectifier across capacitor Cs,
the DC voltage blocking capacitor Cb cannot have a value
of several times Cs. Therefore, a value of only twice Cs has
been chosen for Cb. This ratio gives good practical results
in combination with an output voltage, Eo, of 450V.

The parallel L-C circuit consists of series combinations of
Lo and Ls and Cb and Cs. The output rectifier bridge now
modulates the value of the capacitor between 2/3 Cs and
2 Cs (Cb and Cs in series and Cb only). It should be noted
that the resonant frequencies of the two states differ by a
factor of

.

The switch S1 modulates the inductance value of the
parallel L-C circuit between Lo + Ls and Ls. This is
combined with a change in input voltage from zero (S1 ON)
and Ep (S1 OFF). Again, the PRPS can be seen as a
parametric amplifier, but now with both inductance and
capacitance modulation.

In contrast with the SRPS circuit, the output power of a
PRPS converter will increase with increasing operation
frequency, thus with decreasing operation cycle time.

Under no load conditions and maximum operation cycle
time, the output voltage and current will be near sinusoidal
and will have their minimum no load values. This minimum
output voltage can be calculated from

Substituting the values for Lo, Ls, Cb and Cs in the formula
gives

An output voltage choice of Eo = 450 V for Ep = 375 V will,
therefore, be amply sufficient.

The voltage Vsw, the current Isw, the output voltage Vs and
the current Is for the maximum operation cycle time, i.e.
about equal to Tref, are shown in Fig. 7.

To get an impression of the boosting properties of the PRPS
circuit, the no load voltages and currents are shown, for an
operation cycle time Tcycle = 0.975 x Tref, in Fig. 8. It can
be seen that the output voltage has been increased by a
factor 2.5 with only a very small decrease of operation cycle
time.

Fig. 7  Waveforms of Basic PRPS Circuit

(Tcycle = 0.995 x Tref, no load, Ep = 310V)

Finally, the full load voltages and currents are shown in Fig.
9 (output power 500W at Eo = 450V and Ep = 310V). It
should be noted that the operation cycle time has been
decreased to .5694 x Tref.

Vsw

500V
/div.

Isw

5A/div

√

3

Vs

500V
/div.

Vs

>

Ep

.

(

Lo

+

Lp

)

Lo

.

Cb

(

Cb

+

Cs

)

Is

5A/div

Vs

>

0.75

×

Ep

229

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The significant feature of the PRPS circuit is that the current
in the main switching device S1 is brought down to zero by
the circuit and not by the device itself. Device S1 can now
be turned off without loss. The negative voltage which
causes the current to fall, is supported by diode D1, which
needs to be a fast recovery type like the BYR79. The
reverse recovery loss in D1 is small because the resonant
action of the circuit make the rate of fall of current relatively
slow - up to two orders of magnitude slower than in a
standard SMPS.

SRPS and PRPS compared

A pre-conditioner can be implemented using either an
SRPS or PRPS topology. The capacitor and inductor values
are roughly the same, as are the peak values of voltage
and current. The main difference between the circuits is in
the switching requirements of S1 and D1.

In the SRPS, the turn on loss of S1 is very low - the voltage
across S1 is zero and the current rises relatively slowly.
However the turn off loss is large - S1 has to turn off a large
current and, although the dVsw/dt is moderated by Cp it is
still relatively fast. On the other hand, the turn off loss in D1
is negligible - no voltage is applied to the diode until S1 is
turned off giving plenty of time for reverse recovery - but
the turn on loss may be significant because the dIsw/dt is
un-restrained.

In the PRPS circuit, however, the turn off loss in S1 is close
to zero but the recovery loss in D1 is not negligible - Isw
falls through zero and the negative voltage appears across
the diode. S1 is turned on from a high voltage so there will
be some loss in both S1 and D1 even though the rate of
rise of current is moderated by Ls.

It is generally true that reducing turn off loss produces a
bigger cost/performance benefit than reducing turn on loss.
It is also true that losses in diodes are usually much lower
than in their associated switching device. Since the PRPS
configuration reduces turn off loss in S1 to zero it appears
that PRPS is a better choice than SRPS as a resonant
pre-converter.

Therefore, the remainder of this paper will concentrate on
PRPS circuits.

PRPS transformer for >1kW

The practical PRPS circuits in this paper all use a
transformer with a built-in leakage inductance to give mains
isolation and inductance Ls. The inexpensive U-64 core,
used in large quantities in the line deflection and EHT
circuits in colour TV sets, can be used successfully as the
transformer core in PRPS converters with a nett output
power in excess of 1000W.

Fig. 8  Waveforms of Basic PRPS Circuit

(Tcycle = 0.975 x Tref, no load, Ep = 310V)

Fig. 10 illustrates a PRPS transformer constructed with a
pair of U-64 cores. Both the primary and secondary
windings are split into two halves. Each leg of the U-core
is fitted with a two-chamber coil former with a primary and
a secondary winding. To achieve a reasonable ’leakage

Vsw

500V
/div.

Isw

5A/div

Vs

500V
/div.

Is

5A/div

230

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

inductance’ Ls, the primary and secondary coils are
crossed. Thus each U-core has one primary and one
secondary coil.

A pre-converter transformer with this arrangement offers
several advantages over the ’standard’ SMPS transformer
using E-cores.

s

Fig. 9  Waveforms of Basic PRPS Circuit

(Tcycle = 0.5694 x Tref, 500W output, Ep = 310V)

- It will be easier to meet the mains isolation requirements,

particularly with respect to creepage distances.

- The thermal properties will be much better because the

winding is distributed over both core legs.

- The mean length of a turn is less than with a single core

leg, reducing copper loss.

- The two leg arrangement will need only 70% of the turns

of the one leg design. This is because of the active
(magnetic) fluxing of both legs.

- It is a simpler and hence less expensive transformer to

wind.

One disadvantage of this arrangement is that the windings
are not layered. This means that ’skin effect’ will have to be
overcome by using Litz wire for both the primary and
secondary windings.

a) Cross Section

b) Winding connection

Fig. 10  PRPS transformer using U-64 cores

Vsw

500V
/div.

Isw

5A/div

U64 core 3C8

U64 core 3C8

P1

P2

S1

S2

airgap

Vs

500V
/div.

S1

P1

In

In

P2

S2

Out

Out

Is

5A/div

231

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The equivalent electrical circuit diagram of the PRPS
transformer is given in Fig. 11. It is the well known ’Tee’
circuit with primary winding(s) leakage inductance Llp, a
magnetisation inductance Lm and secondary winding(s)
leakage inductance Lls, followed by an ’ideal’ transformer
for the output voltage transformation.

Fig. 11 PRPS transformer equivalent circuit

The primary and secondary leakage inductance is
determined by the transformer construction and, in
particular, by the positioning of the windings. In the
symmetrical arrangement of Fig. 10, the values of Llp and
Lls will be equal. Llp and Lls are also proportional to the
square of the number of primary turns as is Lm. However,
Lm is also strongly dependent on the width of the ’airgap’
between the two U-cores. The airgap can be adjusted to
give a value of Lm between 2 and 100 times Llp+Lls.

The transformer can be characterised by two inductance
measurements:

- Lx, the measured primary inductance with the secondary

winding(s) shorted.

- Ly, the measured primary inductance with the secondary

winding(s) open circuit

It can be seen from the equivalent circuit diagram that,

If the transformer is assumed to be symmetrical then,

rearranging gives,

If the airgap is <50

µ

m then Lm will be at least 100 times

the value of Llp or Lls. In this case,

and

Fig. 12  PRPS pre-converter for 250V output

A PRPS pre-converter transformer for 1250W nett output
has been constructed to the arrangement shown in Fig. 10.
It had a primary consisting of two 36 turn windings
connected in series, wound using 600 x 0.07mm Litz wire.
The number of turns on the secondary varied depending
on the required output voltage. Measurements of this
transformer gave the following values for Lx and Ly.

Lx = 200

µ

H

Ly = 1600

µ

H (Note that this value is strongly influenced by

the size of the airgap)

PRPS pre-converter for high output
voltages

The circuit shown in Fig. 12 is a PRPS pre-converter using
the type of transformer mentioned earlier. This circuit is
intended to deliver 1250W at a relatively high voltage - in
this case 250V. To achieve an final output voltage of 250V
with an effective output voltage, Eo, of 450V means having
a transformer with a turns ratio of 8:5.

Cf1

2

µ

F

2 x 1

µ

F

Cin

2

µ

F

2 x 1

µ

F

Cb1

0.2

µ

F

2 x 0.1

µ

F

Cb2

1.36

µ

F

2 x 0.68

µ

F

Cs

0.3

µ

F

2 x 0.15

µ

F

Lf

1600

µ

H

Lo

1600

µ

H

Lx

200

µ

H

Ly

1600

µ

H

Table 3  Component Values for High Output Voltage

PRPS circuit

The transformer has replaced the inductance Ls in the basic
circuit diagram of Fig. 6. The DC voltage blocking capacitor
Cb has been split up into a primary blocking capacitor Cb1
and a secondary blocking capacitor Cb2. There will,
therefore, be no DC current in Tr1 so in principle the
transformer does not need an air gap. However, experience

Lx

Llp

+

Lls

Ly

Lm

S1

D1

Lo

Isw

Io

Vsw

Cb1

Cs

Vb1

Cout

+Eo

0

Cin

Cb2

Vb2

Ipr

Cf1

Lf

Isec

B1

Llp

Lls

Lm

ideal

In

Out

Lx

=

Llp

+

Lm

.

Lls

Lm

+

Lls

Ly

=

Llp

+

Lm

Llp

=

Lls

Llp

=

Ly

√

Ly

2

Lx

.

Ly

Lm

=

√

Ly

2

Lx

.

Ly

232

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 13  Waveforms of high voltage pre-converter

(Tcycle=0.7446 x Tref, 2.5kW output, Ep=310V)

has shown that a limited value of magnetisation inductance
improves the operation of the circuit, so an airgap has been
included which keeps the Ly value, of Tr1, equal to Lo.

The pre-converter circuit has been completed by the
addition of capacitor Cf1, rectifier bridge and filter inductor
Lf (an iron cored choke). The combination of Cf1, Lf, Cin
and Lo prevents a significant switching frequency signal
appearing at the mains terminals.

The component values shown in table 3 are used in the
circuit of Fig. 12. With these values the no load reference
cycle time will be 49.7

µ

s. Therefore, the no load operating

frequency is just over 20 kHz.

Figs. 13 and 14 show the waveforms associated with the
circuit when the input voltage is 310 V and the circuit is
delivering 2.5 kW

Ep

Pout

Pout

% Deviation

(PRPS)

(R load)

310.0

2501

2501

0.0%

308.3

2476

2474

0.1%

303.2

2389

2392

-0.1%

294.8

2249

2262

-0.6%

283.2

2068

2087

-0.9%

268.5

1857

1876

-1.0%

250.8

1621

1637

-1.0%

230.4

1375

1382

-0.5%

207.4

1128

1119

0.8%

182.2

890

864

3.0%

155.0

668

625

6.8%

126.1

472

414

14.1%

95.8

305

239

27.7%

64.5

171

108

57.9%

32.4

70

27

156.2%

Table 4  Output power of PRPS pre-converter.

Of particular interest is Io because it can be easily measured
with a low value resistor. This current will be used to control
power output of the PRPS pre-converter. Io will be
compared with a reference, Ioref, which will be proportional
to input voltage Ep. The comparison of Io and Ioref should
be done at the right time, namely during the period when
Io has a negative slope. The switch S1 is turned ON as
soon as the value of Io drops below Ioref.

The computed values of Pout for 15 values of Ep which
would be achieved using this control strategy are given in
Table 4. As a comparison the output power for a resistive
load is also shown in Table 4.

It can be seen from Table 4, that the PRPS output power
closely matches the power of a purely resistive load except
for Ep values near the zero crossings of the mains/line
voltage.

Of course, an average output power control loop (with a
time constant far in excess of the 10 (8.3) ms cycle time of
a half mains/line period) is required to determine the

Vsw

500V
/div.

Isw

10A/div

Vs

500V
/div.

Isec

15A/div

233

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 14  Waveforms of high voltage pre-converter

(Tcycle=0.7446 x Tref, 2.5kW output, Ep=310V)

proportionality constant between the mains/line voltage and
Ioref for the mains/line voltage variations and for the output
power control.

It can also be concluded, from table 4, that the PRPS circuit
can indeed fulfil the pre-converter action successfully, i.e.
a resistive load for the mains voltage can be easily
achieved, thus no mains distortion and a power factor >0.99
is possible.

The circuit shown in Fig. 12 is only suitable for high output
voltages. At low output voltages (below 100V for output
powers in excess of 1000W), the secondary blocking
capacitor Cb2 has to have a high value and pass a large
current and is, therefore, an expensive component. If a low
output voltage pre-converter is required, then an alternative
arrangement is needed.

PRPS pre-converter for low output
voltages

The high cost of Cb2, in a low output voltage PRPS
pre-converter, could be avoided if it could be eliminated
from the circuit. The problem is that removing Cb2 allows
a DC current to flow in the transformer. The resulting flux
can be handled by increasing the airgap between the cores
of the transformer. This will have the additional effect of
reducing Ly from 1600 

µ

H to 800 

µ

H. This change has been

incorporated in the circuit shown in Fig. 15, which is
intended to deliver 1200W at 60V.

Fig. 15  PRPS pre-converter for 60V output

To get 1200W nett from a transformer of the type shown in
Fig. 10 it is necessary to change the number of primary
turns Np and thus decrease the value of Lx. Suitable values
would be:

Np (primary turns)

2 x 28

(600 x .07 mm Litz wire)

Ns (secondary turns)

2 x 4

(flat Litz wire 7 mm2)

The air gap in the transformer should be adjusted to give
an Lx of 125 

µ

H.

Suitable values for the other components are given in table
5. The reference cycle time, Tref, with these values will be
39 

µ

s.

The inductance Lo can be made with either a pair of U-64
cores - with the winding distributed over both legs- or with
a pair of E-cores.

Vb1

500V
/div.

Ipr

10A/div

Vb2

500V
/div.

S1

D1

Lo

Isw

Io

Vsw

Cb1

Cs

Vb1

Cout

+Eo

0

Cin

Ipr

Cf1

Lf

Isec

B1

Io

10A/div

234

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Cf1

2

µ

F

2 x 1

µ

F

Cin

2

µ

F

2 x 1

µ

F

Cb1

0.15

µ

F

Cs

3.75

µ

F

5 x 0.75

µ

F

Lf

1600

µ

H

Lo

1600

µ

H

Table 5  Component Values for Low Output Voltage

PRPS circuit

In practice, PRPS pre-converters produce about 150W for
each Amp(rms) flowing in the primary winding. So for a
1200W converter:

Ipr = 8A
Isec = 56A (at 60V and 20A)

The voltage and current wave forms for the circuit of Fig.
15 are similar to those shown in Figs. 13 and 14, except for
the amplitudes in the secondary side.

This configuration of PRPS pre-converter is viable for
output voltages as low as 40 V. Below this, however, the
value and current rating of Cs becomes excessive and it is
likely that alternative configurations would be more cost
effective.

Control circuit for PRPS converters

Figure 16 shows a simple control circuit for PRPS
converters. In is constructed from MOS ICs and standard
comparators. The analogue control section for the output
power stabilisation is not shown because it will, in principle,
be no different than for an SMPS converter.

The PRPS control circuit comprises of a dual sawtooth
oscillator whose frequency can be adjusted by applying a
voltage to X1. The output of this oscillator is fed to the clock
pulse input of a divide-by-8 counter. The highest oscillator
frequency needs to be just over 8x the highest expected
operating frequency of the PRPS power section.

The oscillator can be stopped by applying a hold up signal
(low) to G1. This hold-up input is used to modulate the cycle
time of the control circuit. As soon as this ’hold up’ signal
is removed (high), a pulse will sent to the divide-by-8 circuit
which then advances one position.

The counter has 8 outputs, Q0-Q7. Output Q0 will go high
either synchronously following Q7 or asynchronously with
a high on pin15. Output Q0 sets a flip-flop consisting of a
2 and a 3 input NOR-gate. The output terminal X8 then goes
high to indicate that the main switching device S1 should
turn on.

Fig. 16  PRPS control circuit

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

X2

X3

X4

X5

X6

X1

X8

X7

HEF4022B

13

14

15

Q7

Q5

Q0

G1

G2

G3

G4

G5

G6

G7

-

+

-

+

235

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The Q7 output is used to enable both the ’hold-up’ signal
for the oscillator and the reset input for the divide-by-8, i.e.
both the ’hold-up’ and the reset only can be active if there
is a ’1’ at Q7. The output flip-flop is reset either by the
negative voltage across S1-D1 - via comparator G3 - or by
the sixth position, Q5, of the counter. To prevent the
possibility of immediate reset of the flip-flop, the indication
of negative voltage across S1-D1 is blanked out while Q0
is high.

The voltage across S1-D1 is connected to terminal X6 via
a high value resistor (220 k

). X4 is connected to the

negative supply line of the power circuit. Comparator G3
then gives logical information about the polarity of the
voltage across S1-D1.

Information about the amplitude of this voltage is obtained
via comparator G4. A reference voltage, proportional to the
mains voltage, is connected to X5. If the attenuated S1-D1
voltage falls below this reference, and Q7 is high, the
counter will be reset and S1 will be turned ON. This is an
emergency measure in case the normal current control loop
via the comparator G2 fails to disable the ’hold up’ signal.
This could occur if there were a false current reference
signal at X2.

The best strategy for the control of a PRPS pre-converter
is by comparing the current, Io, in the input inductor, Lo,
with a mains proportional reference current. In Fig. 16 a
signal, proportional to Io, is connected to X3 and the
reference signal to X2. As soon as Io falls below the
reference value the ’hold-up’ signal is removed, the counter
is advanced from Q7 to Q0 and S1 is turned ON.

A ’1’ at input X7 allows the control circuit to run, whereas a
’0’ will cause the PRPS to switch OFF in a controlled
manner. When X7 goes high, the output of NAND gate G7
goes low. This signal is used to reset the counter which
takes Q0 high, turns on S1 and starts the operating cycle.
The output of G5, which was pulled high while the circuit
was stopped, is now driven low and is kept low by the RC
network as long as S1 continues to be switched. This ’low’
keeps the output of G7 high and allows the correct signal
to be fed from G4 to the counter reset. The high on X7 also
enables G6 and lets the information from G2 - the ’current’
comparator - through to the ’hold up’ circuit.

If X7 is taken low then G6 is disabled and the signal which
would start the next switching cycle is not allowed to get
through. The counter will continue to run until Q7 goes high
at which time the circuit will be ’held up’ and the operating
cycle will be halted.

The cycle time will be adjusted by changing the reference
value at X2. This signal will be a series of half sinewaves
whose peak value is proportional to the power that the
pre-converter needs to deliver to the keep the output

voltage at the required level. This control strategy has been
tested on various PRPS circuits and fulfils all the
requirements properly.

Modelling PRPS pre-converters

There are no equations which summarise the overall
behaviour of a PRPS pre-converter circuit. Determining
factors like the throughput power of the circuit and the peak
voltages and currents, means developing a computer
model. In this model the operation of the circuit is broken
down into its separate modes and the appropriate equations
derived for each of them.

The circuit of Fig. 6 has, basically, two switches which
determine its mode of operation. The first is the combination
of S1 and D1 - this is the controllable switch - and the second
is the bridge rectifier B1.

Therefore the circuit has four different modes of operation.
For all these modes, the time functions for the currents and
voltages can be derived by circuit analysis. The four modes
are given below:

Mode

S1-D1

Bridge

I

ON

ON

II

ON

OFF

III

OFF

OFF

IV

OFF

ON

Table 6  PRPS Operating Modes

Using Laplace transformation it is possible to derive the
time functions for currents Io and Is, for the circuit in each
of its 4 modes. This method allows the initial values of the
currents and voltages to be easily introduced into the
equations. The initial conditions of Io, Is, Vb1 and Vs will
be indicated by Jo, Js, Ub1 and Us respectively.

Mode I

We will start with the derivation of the time functions for the
operation of the PRPS circuit in mode I (S1-D1 ON and B1
ON). The initial conditions are:

Calculation starts at t = 0 with the switching ON of S1-D1,
while B1 is already conducting, i.e.

. The following

Laplace equations are then valid:

Io

=

Jo

Is

=

Js

= −

Jo

Vb1

=

Ub1

Vs

=

Us

=

Eo

Jo

>

0

Ep

s

+

Lo

.

Jo

=

Io

.

s

.

Lo

236

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Note: B1 is conducting, so

, i.e. Cs is infinitely

large and has no influence on Is.

If we define the following:

The Laplace equations for Io and Is can then be written as:

The inverse Laplace transformation of these two equations
gives the following time functions:

To calculate the input power and the voltage Vb1 and Vs,
these time functions can be integrated to give Ioint and Isint,
thus:

The input power during the validity of mode I (i.e. during a
time interval of length T1) is equal to:

The voltages Vb1 and Vs are equal to:

In the computer program, these formulae will be stored in
a subroutine called sub1.

Mode II

The initial conditions for mode II operation (S1-D1 ON and
B1 OFF) are:

(either +Eo or -Eo)

The Laplace equations for Io and Is are now:

Define:

The Laplace functions for Io and Is are now identical to
those for mode I, so the time functions are:.

In the computer program, these formulae will be stored in
a subroutine called sub2.

Ub1

+

Us

s

+

Ls

.

Js

=

Is

.

s

.

Ls

+

1

s

.

Cb1

Vs

=

Us

=

Eo

Io

=

Jo

Is

=

Js

ω =

√

1

Ls

.

Cb1

Vb1

=

Ub1

Vs

=

Us

F1

=

Jo

F2

=

Ep
Lo

Ep

s

+

Lo

.

Jo

=

Io

.

s

.

Lo

G1

=

Js

(

Ub1

+

Us

).

s

+

Ls

.

Js

=

Is

.

s

.

Ls

+

Cb1

+

Cs

s

.

Cb1

.

Cs

G2

=

Ub1

+

Us

Ls

ω =

√

Cb1

+

Cs

Ls

.

Cb1

.

Cs

Io

=

F1

s

+

F2

s

2

F1

=

Jo

Is

=

G1

.

s

s

2

+ ω

2

+

G2

s

2

+ ω

2

F2

=

Ep
Lo

G1

=

Js

Io

=

F1

+

F2

.

t

G2

=

Ub1

+

Us

Ls

Is

=

G1

.

cos

(ω.

t

) +

G2

ω

.

sin

(ω.

t

)

Io

=

F1

+

F2

.

t

Is

=

G1

.

cos

(ω.

t

) +

G2

ω

.

sin

(ω.

t

)

Ioint

=

F1

.

t

+

F2

2

.

t

2

Ioint

=

F1

.

t

+

F2

2

.

t

2

Isint

=

G1

ω

.

sin

(ω.

t

) +

G2

ω

2

.(

1

cos

(ω.

t

))

Isint

=

G1

ω

.

sin

(ω.

t

) +

G2

ω

2

.(

1

cos

(ω.

t

))

Pin

(

T1

) =

Ep

.

Ioint

T1

Pin

(

T2

) =

Ep

.

Ioint

T2

Vb1

=

Ub1

Isint
Cb1

Vb1

=

Ub1

Isint
Cb1

Vs

=

Us

Isint

Cs

Vs

=

Us

=

Eo

237

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Mode III

The initial conditions for mode III operation (S1-D1 OFF
and B1 OFF) are:

The correct Laplace equation for Is (

) can be

expressed by the relationship:

Define:

The time functions can then be expressed by:

In the computer program, these formulae will be stored in
a subroutine called sub3.

Mode IV

The initial conditions for the mode IV operation (S1-D1 OFF
and B1 ON) are given below:

The Laplace equation for current Is is now:

Define:

The time functions are given by,

In the computer program, these formulae will be stored in
a subroutine called sub4.

Program structure

The modelling program can be written around the four
subroutines. The central part of the program will make
successive calls to the appropriate subroutine. The
calculated values of current and voltage will be used to
determine when the circuit moves form one mode to the
next. The final values of Io, Is, Vb1 and Vs will be used as
the initial values, Jo, Js, Ub1 and Us, for the next mode.
The actual sequence of the modes depends upon the
operating frequency and load condition. Under full load
condition when Ep is not close to zero, the sequence of
modes will be as shown in Table 7.

One cycle of operation ends when Io falls below Ioref. This
would result in S1 being turned ON, putting the circuit in to
mode I and starting the cycle once more. At the end of each
cycle, the input power can be compared with a reference
value (Pref) and Ioref can be adjusted until the powers are
equal. It is then possible to read various important values

Vs

=

Us

=

Eo

Ub1

+

Us

Ep

s

+ (

Lo

+

Ls

).

Js

=

Is

.

s

.(

Lo

+

Ls

) +

1

(

s

.

Cb1

)

Io

=

Jo

Is

=

Js

= −

Jo

Vb1

=

Ub1

ω =

√

1

(

Lo

+

Ls

).

Cb1

Vs

=

Us

G1

=

Js

Io

= −

Is

G2

=

Ub1

+

Us

Ep

Lo

+

Ls

Ub1

+

Us

Ep

s

+ (

Lo

+

Ls

).

Js

=

Is

.

s

.(

Lo

+

Ls

) +

Cb1

+

Cs

s

.

Cb1

.

Cs

Is

=

G1

.

cos

(ω.

t

) +

G2

ω

.

sin

(ω.

t

)

ω =

√

Cb1

+

Cs

(

Lo

+

Ls

).

Cb1

.

Cs

Io

= −

Is

G1

=

Js

Isint

=

G1

ω

.

sin

(ω.

t

) +

G2

ω

2.

(

1

cos

(ω.

t

))

G2

=

Ub1

+

Us

Ep

Lo

+

Ls

Ioint

=

Isint

Pin

(

T4

) =

Ep

.

Ioint

T4

Is

=

G1

.

cos

(ω.

t

) +

G2

ω

.

sin

(ω.

t

)

Vb1

=

Ub1

Isint
Cb1

Io

= −

Is

Isint

=

G1

ω

.

sin

(ω.

t

) +

G2

ω

2.

(

1

cos

(ω.

t

))

Vs

=

Us

Ioint

=

Isint

Pin

(

T3

) =

Ep

.

Ioint

T3

Vb1

=

Ub1

Isint
Cb1

Vs

=

Us

Isint

Cs

Io

=

Jo

Is

=

Js

= −

Jo

Vb1

=

Ub1

238

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

S.M.P.S.

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

S1-D1

B1

Mode

End Condition

ON

ON

I

Is>0

ON

OFF

II

Vs<-Eo

ON

ON

I

Is<0

ON

OFF

II

Isw=Io+Is<0

OFF

OFF

III

Vs>Eo

OFF

ON

IV

Io<Ioref

Table 7  PRPS Operating Sequence

such as the initial conditions for Io, Is, Vb1, Vs, the cycle
time, output power, RMS values of Io and Is, DC and AC
fluxes in the ferrite cores, etc.

Writing a program like this is well within the capabilities of
anyone with some experience of programming. The
calculations involved are so simple that there will be little
difficulty in using almost any programming language. A
model produced in this way will be faster and more accurate
than could be produced with any of the standard modelling
programs.

Conclusions

The PRPS configuration is well suited to the needs of the
pre-converter application. It can boost the low mains
voltages, near zero crossing, to high levels so that some
power is delivered to the load throughout all of the mains
cycle. This helps the PRPS appear as a resistive load to
the mains.

A PRPS pre-converter can deliver a DC output voltage with
low levels of mains ripple using only moderately sized

output smoothing capacitors. The addition of a high
frequency transformer gives mains isolation and the ability
to have a wide range of output voltages.

The transformer need not be a major additional cost. The
high operating frequency means the transformer uses
ferrite core and is relatively small (5% of the size of copper
/ iron transformer). A side by side arrangement of the
windings means the transformer is easy to wind, easy to
insulate and can have the right leakage inductance to
replace the resonant network inductor.

The resonant action of the PRPS circuit allows the main
semiconductor switching device to be turned off at zero
current. This reduces, considerably, the switching loss of
this device allowing a smaller device to be used in higher
power / frequency circuits than it could normally resulting
in a significant cost saving.

Unfortunately an overall analysis of the performance of a
PRPS pre-converter is difficult. However, by breaking the
cycle of operation into its logical modes, it becomes easy
to generate the time functions for all the currents and
voltages. It is simple to incorporate these equations into a
computer program to produce an accurate, detailed and
fast running model of the system.

The use of pre-converters is become increasingly
necessary and the characteristics of PRPS circuits mean
that there are well suited to this function. It is easy to
overcome the apparent complexity of resonant systems to
produce PRPS pre-converters which are elegant, efficient
and cost effective.

239

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

CHAPTER 3

Motor Control

3.1  AC Motor Control

3.2  DC Motor Control

3.3  Stepper Motor Control

241

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

AC Motor Control

243

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

3.1.1  Noiseless A.C. Motor Control: Introduction to a 20 kHz

System

Controlling an a.c. induction motor by the technique of
sinewave-weighted

pulse-width

modulation

(PWM)

switching gives the benefits of smooth torque at low speeds,
and also complete speed control from zero up to the nominal
rated speed of the motor, with only small additional motor
losses.

Traditional power switches such as thyristors need
switching frequencies in the audible range, typically
between 400 and 1500Hz. In industrial environments, the
small amount of acoustic noise produced by the motor with
this type of control can be regarded as insignificant. By
contrast, however, the same amount of noise in a domestic
or office application, such as speed control of a ventilation
fan, might prove to be unacceptable.

Now, however, with the advent of power MOSFETs,
three-phase PWM inverters operating

at ultrasonic

frequencies can be designed. A three-phase motor usually
makes even less noise when being driven from such a
system than when being run directly from the mains
because the PWM synthesis generates a purer sinewave
than is normally obtainable from the mains.

The carrier frequency is generally about 20kHz and so it is
far removed from the modulation frequency, which is
typically less than 50Hz, making it economic to use a
low-pass filter between the inverter and the motor. By
removing the carrier frequency and its sidebands and
harmonics, the waveform delivered via the motor leads can
be made almost perfectly sinusoidal. RFI radiated by the
motor leads, or conducted by the winding-to-frame
capacitance of the motor, is therefore almost entirely
eliminated. Furthermore, because of the high carrier
frequency, it is possible to drive motors which are designed
for frequencies higher than the mains, such as 400Hz
aircraft motors.

This section describes a three-phase a.c. motor control
system which is powered from the single-phase a.c. mains.
It is capable of controlling a motor with up to 1kW of shaft
output power. Before details are given, the general
principles of PWM motor control are outlined.

Principles of Pulse-Width Modulation

Pulse-width modulation (PWM) is the technique of using
switching devices to produce the effect of a continuously
varying analogue signal; this PWM conversion generally
has very high electrical efficiency. In controlling either a
three-phase synchronous motor or a three-phase induction
motor it is desirable to create three perfectly sinusoidal
current waveforms in the motor windings, with relative
phase displacements of 120˚. The production of sinewave

power via a linear amplifier system would have low
efficiency, at best 64%. If instead of the linear circuitry, fast
electronic switching devices are used, then the efficiency
can be greater than 95%, depending on the characteristics
of the semiconductor power switch.

Fig.1 Half-bridge switching circuit

Fig.2 Waveforms in PWM inverter

(a) Unmodulated carrier

(b) Modulated carrier

(c) Current in inductive load

The half-bridge switching circuit in Fig.1 is given as an
example: the switches can be any suitable switching
semiconductors. If these two switches are turned on
alternately for equal times, then the voltage waveform
across the load is as shown in Fig.2a. The mean value of
this waveform, averaged over one switching cycle is 0. This
square wave with a constant 50% duty ratio is known as
the ’carrier’ frequency. The waveform in Fig.2b shows the
effect of a slow variation or ’modulation’ of the duty ratio;
the mean voltage varies with the duty ratio. The waveform
of the resultant load current depends on the impedance of
the load Z. If Z is mainly resistive, then the waveform of the
current will closely follow that of the modulated square
wave. If, however, Z is largely inductive, as with a motor
winding or a filter choke, then the switching square wave

V/2

V/2

+

+

Z

-V/2

V/2

0

0

-V/2

V/2

0

I

(a)

(b)

(c)

245

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

will be integrated by the inductor. The result is a load current
waveform that depends mainly on the modulation of the
duty ratio.

If the duty ratio is varied sinusoidally in time, then the current
in an inductive load has the form of a sinewave at the
modulation frequency, lagging in phase, and carrying ripple
at the switching frequency as shown in Fig.2c. The
amplitude of the current can be adjusted by controlling the
depth of modulation, that is, the deviation of the duty ratio
from 50%. For example, a sinewave PWM signal which
varies from 5% to 95%, giving 90% modulation, will produce
a current nine times greater than that produced by a signal
which varies only from 45% to 55%, giving only 10%
modulation.

For three-phase a.c. motor control, three such waveforms
are required, necessitating three pairs of switches like those
shown in Fig. 1, connected in a three-phase bridge. The
inductance required to integrate the waveform can usually
be provided by the inductance of the stator windings of the
motor, although in some instances it might be provided by
the inductance of a separate low-pass filter. The
modulations in the three switching waveforms must be
maintained at a constant relative phase difference of 120˚,
so as to maintain motor current sinewaves which are
themselves at a constant 120˚ phase difference. The
modulation depth must be varied with the modulation
frequency so as to keep the magnetic flux in the motor at
approximately the design level.

In practice, the frequency of the modulation is usually
between zero and 50Hz. The switching frequency depends
on the type of power device that is to be used: until recently,
the only devices available were power thyristors or the
relatively slow bipolar transistors, and therefore the
switching frequency was limited to a maximum of about 1

kHz.

With thyristors, this frequency limit was set by the

need to provide forced commutation of the thyristor by an
external commutation circuit using an additional thyristor,
a diode, a capacitor, and an inductor, in a process that takes
at least 40

µ

s. With transistors, the switching frequency was

limited by their switching frequency and their long storage
times.

In this earlier type of control circuit, therefore, the ratio of
carrier frequency to modulation frequency was only about
20:1. Under these conditions the exact duty-ratios and
carrier frequencies had to be selected so as to avoid all
sub-harmonic torques, that is, torque components at
frequencies lower than the modulation frequency. This was
done by synchronising the carrier to a selected multiple of
the fundamental frequency; the HEF4752V, an excellent
IC purpose-designed for a.c. motor control, uses this
particular approach. The 1kHz technique is still extremely
useful for control of large motors because whenever shaft
output powers of more than a few kW are required,
three-phase mains input must be used, and there are, as
yet, few available switching devices with combined high
voltage rating, current rating, and switching speed.

However, using MOSFETs with switching times of much
less than 1

µ

s, the carrier frequency can be raised to the

ultrasonic region, that is, to 20kHz or more. There are
obvious system benefits with this higher frequency, but
there are also several aspects of PWM waveform
generation that become easier. It is possible to use a fixed
carrier frequency because the sub-harmonics that are
produced as a result of the non-synchronisation of the
carrier frequency with a multiple of the fundamental are
insignificant when the ratio of the carrier frequency to the
fundamental frequency is typically about 400:1.

Fig.3  20kHz AC motor controller

246

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

To maintain good waveform balance, and thus avoid any
d.c. in the motor, and therefore also avoid parasitic torques,
a digital waveform generation technique is appropriate. The
waveform can be stored as a ’look-up’ table of numbers
representing the sinewave. To generate the three phases,
this table can be read at three points that have the correct
120˚ phase relationship. The numbers taken from the table
represent

the

duty

ratios

corresponding

to

100%

modulation: these numbers can then be scaled down by
multiplication or some equivalent technique to give the
correct duty-ratio numbers for the modulation depth
required.

The speed of the motor is controlled by the rate at which
the reading pointers scan the look-up table and this can be
as slow as desired. If the pointers are stationary, then the
system will be ’frozen’ at a particular point on the
three-phase sinewave waveform, giving the possibility of
obtaining static torque from a synchronous motor at zero
speed. The rate at which the numbers are produced by this
read-out process from the look-up table is constant and
determines the carrier frequency.

To convert these three simultaneous parallel digital
numbers into time lengths for pulses, three digital counters
are needed. The counters can be designed to give
double-edged modulation, such that both the leading edge
and the trailing edge of each pulse move with respect to
the unmodulated carrier. The line-to-line voltage across the
load will have most of its ripple at a frequency of twice the
switching frequency, and will have a spectrum with

minimum even harmonics and no significant component
below twice the switching frequency. Motor ripple current
is therefore low and motor losses are reduced.

There is a further advantage to be obtained from the high
ratio of carrier to modulation frequency: by adding a small
amount of modulation at the third harmonic frequency of
the basic fundamental modulation frequency, the maximum
line-to-line output voltage obtainable from the inverter can
be increased, for the following reason. The effect of the third
harmonic on the output voltage of each phase is to flatten
the top of the waveform, thus allowing a higher amplitude
of fundamental while still reaching a peak modulation of
100%. When the difference voltage between any two
phases is measured, the third harmonic terms cancel,
leaving a pure sinewave at the fundamental frequency. This
allows the inverter output to deliver the same voltage as the
mains input without any significant distortion, and thus to
reduce insertion losses to virtually zero.

Overview of a practical system

The principles outlined above are applied to a typical
system shown in Fig.3. The incoming a.c. mains is rectified
and smoothed to produce about 300V and this is fed to the
three-phase inverter via a current-sensing circuit. The
inverter chops the d.c. to give 300V peak-to-peak PWM
waves at 20kHz, each having low-frequency modulation of
its mark-space ratio. The output of the inverter is filtered to
remove the 20kHz carrier frequency, and the resultant
sinewaves are fed to the a.c. motor.

Fig.4  Waveform generator circuit

247

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The six switches in the inverter are under the command of
a waveform-generation circuit which determines the
conduction time of each switch. Because the control
terminals of the six switches are not at the same potential,
the outputs of the waveform-generation circuits must be
isolated and buffered. A low-voltage power supply feeds
the signal processing circuit, and a further low-voltage
power supply drives a switch-mode isolating stage to
provide floating power supplies to the gate drive circuits.

Signal processing

Fig.4 shows a block diagram of the circuit which generates
the PWM control signals for the inverter. The input to the
system is a speed-demand voltage and this is also used
for setting the required direction of rotation: the analogue
speed signal is then separated from the digital direction
signal. The speed-demand voltage sets the frequency of
the voltage-controlled oscillator (VCO). Information to
determine the modulation depth is derived from the
speed-control signal by a simple non-linear circuit and is
then converted by an analogue-to-digital converter into an
8-bit parallel digital signal.

A dedicated IC, type MAB8051, receives the clock signals
from the VCO, the modulation-depth control number from
the A/D converter, the direction-control logic signal, and
logic inputs from the ’RUN’ and ’STOP’ switches. By
applying digital multiplication processes to internal look-up
table values, the microcomputer calculates the ’on-time’ for
each of the six power switches, and this process is repeated
at regular intervals of 50

µ

s, giving a carrier frequency of

20kHz. The pulses from the VCO are used for incrementing
the pointers of the look-up table in the microcomputer, and
thus control the motor speed.

The output signals of the microcomputer are in the form of
three 8-bit parallel numbers: each representing the
duty-ratio for the next 50

µ

s switching cycle for one pair of

inverter switches, on a scale which represents 0% to 100%
on-time for the upper switch and therefore also 100% to 0%
on-time for the complementary lower switch. A dedicated
logic circuit applies these three numbers from the
microcomputer to digital counters and converts each
number to a pair of pulse-widths. The two signals produced
for each phase are complementary except for a small
’underlap’ delay. This delay is necessary to ensure that the
switch being turned off recovers its blocking voltage before
its partner is turned on, thus preventing ’shoot-through’.

Fig.5 DC link, low voltage and floating power supplies

248

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Other inputs to the microcomputer are the on/off switches,
the motor direction logic signal, and the current-sensing
signal. Each input triggers a processor interrupt, causing
the appropriate action to be taken. The STOP switch and
the overcurrent sense signals have the same effect, that of
causing the microcomputer to instruct all six power switches
in the inverter to turn off. The RUN switch causes the
microcomputer to start producing output pulses. Any
change in the direction signal first stops the microcomputer
which then determines the new direction of rotation and
adjusts its output phase rotation accordingly.

D.C. link and power supplies

The d.c. link and the low-voltage power supplies for the
system are shown in Fig.5. The high voltage d.c. supply for
the inverter is derived from a mains-fed bridge rectifier with
a smoothing capacitor; the capacitor conducts both the
100Hz ripple from the rectified single-phase mains, and also
the inverter switching ripple. A resistor, or alternatively a
thermistor, limits the peak current in the rectifier while the
capacitor is being charged initially. This resistor is shorted
out by a relay after a time delay, so that the resistor does
not dissipate power while the motor is running. As a safety
measure, a second resistor discharges the d.c. link
capacitor when the mains current is removed.

One of the d.c. link lines carries a low-value resistor to sense
the d.c. link current. A simple opto-isolation circuit transmits
a d.c. link current overload signal back to the signal
processing circuit.

The logic circuitry of the waveform generator is powered
conventionally by a 50Hz mains transformer, bridge
rectifier, and smoothing capacitor. The transformer has two
secondary windings; the second one provides power to a
switched-mode power supply (SMPS), in which there is a
switching transistor driven at about 60kHz to switch power
through isolating transformers. Rectifying the a.c. outputs
from the isolating transformers provides floating power
supplies for the inverter gate drive circuits. As will be seen
below, one supply is needed for the three ’lower’ power
switches (connected to a common d.c. link negative line),
but three separate power supplies are needed for the three
’upper’ switches (connected to the three inverter outputs).
Thus four isolating transformers are required for the gate
supply circuits. For low power systems the gate supplies
can be derived directly from the d.c. link without excessive
loss.

To prevent spurious turn-on of any inverter switch during
the start-up process, the floating power supply to the lower
three gate-drive circuits is connected only after a delay. The
same delay is used for this as is used for the d.c. link
charging-resistor bypass switch.

Fig.6  Signal isolation, gate drive, inverter and filter (one phase of three)

15 V

HEF40097

2k2

2k2

10T

20T

47 pF

18 k

1 k

c18v

100R

FX3848

8 uF

2n2

15 V

HEF40097

2k2

2k2

10T

20T

47 pF

18 k

1 k

c18v

100R

FX3848

8 uF

2n2

249

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Signal isolation, gate drive, and inverter

The most important part of the system is the power inverter
and it is the use of MOSFETs, with their short switching
times, which makes it possible for the inverter to switch at
20kHz. It is in the area of the drive circuits to the power
switches that using MOSFETs gives a saving in the number
of components needed. Driving MOSFETs is relatively
easy: the total power needed is very small because all that
must be provided is the capability to charge and discharge
the gate-source capacitance (typically between 1 and 2nF)
by a few volts in a short time (less than 100ns). This ensures
that the quality of the waveform is not degraded, and that
switching losses are minimised.

In this circuit the six pulse outputs from the dedicated logic
part of the waveform generator section are coupled to the
MOSFET gate driver stages via pulse transformers. (see
Fig.6). Each gate drive circuit is powered from one of the
four floating power supplies described above. The three
’lower’ stages share a common power supply, as the source
terminals of the three ’lower’ MOSFETs are all at the same
potential. Each of the three ’upper’ stages has its own
floating power supply. The isolated signals are coupled to
the gate terminals of the six MOSFETs by small amplifiers
capable of delivering a few amperes peak current for a short
time. Alternative gate driver circuits may use level shifting
devices or opto-couplers. (Refer to "Power MOSFET Gate
Drive Circuits" for further details.)

It will be seen from Fig.6 that each MOSFET has two
associated diodes. These are necessary because the
MOSFETs have built-in anti-parallel diodes with relatively
long reverse-recovery times. If these internal diodes were
allowed

to

conduct,

then

whenever

load

current

commutated from a diode to the opposite MOSFET, a large
current would be drawn from the d.c. supply for the duration
of the diode reverse-recovery time. This would greatly
increase the dissipation in the inverter. To avoid this, an
external fast epitaxial diode is connected in anti-parallel
with the MOSFET. Because the internal diode of the
MOSFET has a very low forward voltage drop, a second
low-voltage epitaxial diode must be connected in series with
each MOSFET to prevent the internal diode from
conducting at all. Thus, whenever the MOSFET is
reverse-biased, it is the external anti-parallel diode which
conducts, rather than the internal one. FREDFETs have
internal diodes which are much faster than those of
MOSFETs, opening the way for a further cost-saving by
omitting the twelve diodes from the 3-phase inverter.

Output low-pass filter

For conventional, lower frequency inverters the size, weight
and cost of output filter stages has held back their
proliferation. An advantage of the constant high carrier
frequency is that a small, economical low-pass filter can be
designed to remove the carrier from the inverter output

waveform. Compared with low frequency systems the filter
component has been reduced by an order of magnitude,
and can often be eliminated completely. In unfiltered
systems cable screening becomes an important issue
although on balance the increased cost of screening is less
than the cost and weight of filter components.

A typical filter arrangement was shown in Fig.6. As an
example, for a 50Hz motor-drive the filter would be
designed with a corner-frequency of 100Hz, so that the
attenuation at 20kHz would be about 46dB. The carrier
frequency component

superimposed on the output

sinewave would therefore be only a few mV in 200Vrms.
Fig.7 shows the relative spectral characteristics of different
types of inverter switching strategies.

Fig.7  Spectral characteristics for different inverter

switching strategies

(a) Quasi-square

(b) 1kHz, 15 pulse, Synchronous

(c) 20kHz, Non-synchronous

There are two main advantages in supplying the motor with
pure sinewave power. First, the motor losses are small,
because there is no rms motor current at the switching
frequency, and second, there is less radio-frequency
interference (RFI), because the switching frequency current
components circulate entirely within the inverter and filter
and do not reach the outside world.

Advantages of a 20 kHz system

The principal advantages of the system described here are:

-Controller and motor are acoustically quiet.
-PWM waveform is simple and thus easy to
generate.
-Output filter for removal of carrier is economic.
-RFI is low because of output filter.
-No snubbers are required on power devices.
-High efficiency is easily obtainable.
-No insertion loss.

f(Hz)

100

1k

10k

100k

Power (W)

1kW

10W

100mW

f(Hz)

100

1k

10k

100k

Power (W)

1kW

10W

100mW

f(Hz)

100

1k

10k

100k

Power (W)

1kW

10W

100mW

(a)

(b)

(c)

250

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

3.1.2  The Effect of a MOSFET’s Peak to Average Current Rating

 on Inverter Efficiency

The control of induction motors using a synthesised
sinewave generated using pulse width modulation (PWM)
control is becoming increasingly popular. The peak current
requirement of switches used for the inverter bridge is
based on the maximum current when the output is short
circuited. The overcurrent during a short circuit fault is
limited by an inductor connected in series with the switches.
There is therefore a trade off between the peak current
carrying capability of the switch and the size of the inductor.
It is demonstrated in this note that the efficiency of the circuit
during normal operation of the inverter is affected by the
size of this choke. The ratio of peak to average current
carrying capability of Philips Powermos is typcially about
four. This compares favourably with the typical ratio of
Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs) which is about
three.

A simplified diagram of the inverter and the windings of the
induction motor is shown in Fig. 1. The MOSFETs are driven
with a PWM signal as shown in Fig. 2. The voltages at the
outputs of each leg of the inverter are smoothed using a
low pass filter and the inductance of the motor windings.
The system has the following advantages; it uses an
induction motor which is relatively cheap and maintenance
free and it has the facility for 0 to 100% speed control. The
near perfect sinewaves generated by the PWM technique
produce a smooth torque, audible noise is reduced and
filtering is made easier since MOSFETs make possible the
use of switching frequencies above 20 kHz.

Fig. 1  A simplified diagram of the inverter

Fig. 2  PWM drive signal for the inverter MOSFETs

If the output of the inverter is short circuited there will be a
rapid rise of current in the switches. To limit this peak current
an inductor, L

s,

is often connected in each leg of the inverter

as shown in Fig 3. The rate of rise of current under short
circuit conditions, is then given in equation 1.

(1)

Fig. 3  Inverter bridge leg with dI/dt limiting inductor

V

dc

0

V

dc

2

dI

T

dt

=

V

D

L

s

VD

M1

M2

D1

D2

CS

R

S

I motor

0V

I

M1

L

S

251

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

When the MOSFETs turn this fault current (I

SC

) off the

energy in the inductor is transferred to a snubber capacitor,
C

S

. The overvoltage across the MOSFETs is given by

equation 2.

(2)

The presence of inductor L

S

affects the normal operation

of the inverter. When the MOSFET M1 in Fig. 3 turns off
the diode D2 does not turn on until the voltage across C

S

is equal to the d.c. link voltage, V

D

. If the diode did turn on

then the rate of rise of current in L

S

would be given by

equation 3.

(3)

This would be greater than the rate of rise of motor current
so I

M1

> I

motor

and the diode would have to conduct in the

reverse direction, which is clearly not possible.

During the time when the capacitor C

S

is charging up to V

D

,

the voltage across L

S

will always be such as to increase the

current in the bottom MOSFET, I

M1

. When V

CS

=V

D

the

voltage across L

S

will reverse and I

M1

will fall. Diode D2 will

now turn on. The energy stored in L

S

will now be transferred

to C

S

. This energy will subsequently be dissipated in R

S

and

the MOSFET.

If the ratio of peak to average current carrying capability of
the switch is large then it follows from equation 1 that L

S

can be made smaller. This reduces the energy that is

transferred to C

S

when the MOSFETs switch off during

normal operation. Hence the efficiency of the inverter is
improved.

The short circuit fault current can be limited by connecting
an inductor in the d.c. link as shown in Fig. 4. In this case
analysis similar to that outlined above shows that the
excellent ratio of peak to average current carrying capability
of Philips Powermos again reduces the losses in the
inverter.

It has been shown that components chosen to

ensure safe shutdown of inverters for motor drives can have
deleterious effects on the efficiency of the inverter.

In

particular the addition of an inductor to limit the peak current
through the semiconductor switches when the output is
short circuited can increase the switching losses. The high
peak to average current carrying capability of Philips
Powermos reduces the size of this choke and the losses it
causes.

Fig. 4  Modified inverter circuit to limit short circuit

current

V

=

√

L

s

C

s

.

I

SC

dI

M1

dt

=

V

D

V

CS

V

diode

L

s

252

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

3.1.3  MOSFETs and FREDFETs for Motor Drive Equipment

The paper discusses the properties of the FREDFET, a
technology which yields a MOSFET with a very fast built-in
reverse diode with properties similar to a discrete fast
epitaxial rectifier. It is shown that its characteristics make
the device an excellent choice for high frequency bridge leg
systems such as 20 kHz AC motor control systems.

Investigations have been carried out in dedicated test
circuits as well as in a 20 kHz ACMC system which show
that the FREDFET exhibits very low diode losses. It
compares favorably with a discrete solution, using two extra
diodes to overcome the slow speed of the standard built-in
diode, and also with devices from the present standard
ranges.

Introduction

The Power MOSFET has inherent in its structure a large
built-in diode which is present between the source and drain
of the device. Under single switch applications such as
forward and flyback converters, this diode isn’t forward
biased and consequently its presence can be ignored. In
the case of bridge legs, however, this diode is forced into
forward conduction and the properties of the diode become
of prime importance. The reverse recovery of the built-in
diode is relatively slow when compared with discrete fast
recovery epitaxial diodes (FRED’s). As a consequence, the
currents flowing through the MOSFET and its diode can be
high and the losses considerable.

Fig.1. ACMC bridge leg.

These losses can be reduced through the application of two
extra diodes as discussed in section 2. A more elegant
solution is a MOSFET with a built-in diode which exhibits
properties similar to discrete fast epitaxial rectifiers. The
FREDFET has been designed to satisfy this requirement.
This paper presents the results of studies, carried out with
new

FREDFETs,

comparing

them

with

both

the

conventional MOSFET and the discrete solution.

MOSFETS in half bridge circuits

MOSFETS have gained popularity in high frequency AC
motor controllers, since they enable frequencies above
20kHz to be used. The short on-times required in ACMC
systems make the use of bipolar devices very difficult, due
to the storage times. Both the short switching times and the
ease of drive of the MOSFET are essential ingredients in
the design of a ultrasonic ACMC. Difficulties can arise,
however, when trying to use the built in source to drain
diode of the MOSFETs.

One bridge leg of an ACMC is shown in Fig.1. When current
is flowing out of the load, MOSFET T1 and freewheel diode
D2 conduct alternately. Conversely, when flowing into the
load, the current alternates between TR2 and D1. Consider
the case when current is being delivered by the load, such
that the pair TR1/D2 carries the current. When the MOSFET
conducts current, the voltage at the drain is almost zero
and the diode blocks. When the MOSFET is turned off by
the drive circuit, the inductive load forces the voltage to
increase making diode D2 conductive. Associated with
conduction of the diode is a volume of stored charge which
must be removed as the MOSFET TR1 returns to its
on-state.

Fig.2. Recovery waveforms

Top: VDS, ID of TR1 turning on

Bottom: VD, ID of D2. (t=200ns/div)

The waveforms appropriate to this situation can be found
in Fig.2. One may observe that during the diode recovery
time, the voltage across the MOSFET remains high whilst
at the same time its current increases rapidly. Temporarily
the drain current will increase to a level higher than the load
current since the diode recovery current is added to it. Long
recovery times and excessive charge storage result in a
very high power dissipation in the MOSFET.

253

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.3. Network with extra diodes.

Using the inherent source drain diode of a conventional
MOSFET as the freewheel diode results in considerable
losses, since it is not optimised for fast switching or low
stored charge. To avoid such losses the internal diode is
usually deactivated by means of a special circuit (see Fig.3).
This circuit, using two diodes D2 and D3, ensures that all
freewheel current is flowing through the external diode D2
and not through the internal diode D1. When the MOSFET
is switched on, the current flows via D3. This circuit is
required for each MOSFET in the bridge. The FREDFET,
which has a fast built-in diode offers the prospect of a much
neater solution for these kind of circuits.

Technology of the FREDFET

Fig.4. FREDFET cross section.

The power MOSFET is a majority carrier device and
features fast turn-on and, in particular, fast turn-off. There
are no charge storage effects such as in bipolar devices.
In bridge leg applications the internal diode can become
forward biased and the N- epitaxial region (see Fig.4) is
flooded with holes, which must later be removed when the
source becomes negatively biased again with respect to
the drain.

The stored charge can be removed by holes diffusing from
the N- epilayer into the P+ and P-body regions, and also
by recombination of holes and electrons in the N- epitaxial
region. A significant reduction in the stored charge Qrr can
be achieved by doping the devices with heavy metal atoms
to introduce recombination centres. A standard MOSFET
will normally have a low concentration of recombination

centres. In the FREDFET the heavy metal doping does not
have any significant effects on the threshold voltage or the
transconductance, however, the efficiency with which the
extra recombination centres remove the stored charge is
improved substantially. This can be observed when
comparing Qrr and trr results for killed and non-killed
devices as described in the next section.

FREDFET measurements

A comparison of the reverse recovery characteristics of the
internal diode has been made for a BUK637-500B
FREDFET and a similar competitor conventional MOSFET.
The devices were tested using an ’LEM 20 A Qrr’ gear.

Fig.5. Reverse recovery waveforms, t=200ns/div;

T=25˚C

Oscillograms are presented in fig.5. showing the test
waveforms for both the FREDFET and the conventional
device. The diode turn-off process commences at t=t

0

,

where upon the forward current (set at 10A) is reduced at
a preset 100A/usec. The current falls through zero and the
diode passes into reverse conduction signifying the
removal of stored charge. At t=t

2

sufficient charge has been

removed for the formation of a depletion layer across the
p-n junction. The dI/dt starts to fall and a voltage builds
across an inductance in the source circuit such that the
source becomes negatively biased with respect to drain.

254

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Beyond t

2

the dI/dt reverses and the diode current begins

to fall as the drain-source voltage rises to the clamp setting.
The moment t

3

identifies the point at which the diode current

has fallen to 10% of its peak value, Irrm.

The reverse recovery time, trr is defined as t

3

-t

1

while the

total stored charge Qrr is equal to the area of the shaded
region, fig.5. A direct comparison of the diode reverse
recovery at 25˚C is shown in fig.6. The respective values
for trr, Qrr and Irrm are presented in Table 1.

T

j

 = 25˚C

trr (ns)

Qrr (uC)

Irrm (A)

BUK637-500B

193

1.2

8

Conventional device

492

7.5

23

Table 1.

It can be seen that Qrr is 84 % lower for the FREDFET while
Irrm and trr approximately 60 % less. Fig.7 shows the same
comparison measured at a junction temperature of 150˚C.
Corresponding values of trr, Qrr and Irrm are shown in
Table 2.

Fig.6. Comparison of diode reverse recovery

(t=100ns/div; T

j

=25˚C)

Fig.7. Comparison of diode reverse recovery

(t=100ns/div; T

j

=150˚C)

T

j

 = 150˚C

trr (ns)

Qrr (uC)

Irrm (A)

BUK637-500B

450

4.5

17

Conventional device

650

10.5

26

Table 2.

While higher temperatures are known to reduce the
effectiveness of recombination centres, it is clear that
significant improvements still exist even at the peak junction
temperature with savings of 55 % in Qrr and over 30 % in
Irrm and trr evident for the FREDFET

Performance in a bridge circuit

The circuit of Fig.8 is a simplified representation of a bridge
circuit, and was used to evaluate the performance of the
BUK637-500B FREDFET against a conventional MOSFET
and a conventional MOSFET configured with both series
and parallel diodes.

Fig.8. Simplified bridge circuit.

In each case the MOSFET in the bottom leg was switched
on until the load current reached the desired value, at which
point it was switched off, forcing the load current to flywheel
through the inverse diode of the upper leg. The lower device
was then switched on again to obtain reverse recovery of
the upper diode. The current levels were set to simulate the
conditions found in a 20 kHz 1 kVA ACMC. The device in
the upper leg was mounted on a temperature controlled
heatsink and the test was performed at very low duty cycle
such that T

case

approximated to T

j

.

Oscillograms of current and voltage in relation to the lower
leg are shown for the conventional device, conventional
device plus external diodes and the FREDFET in Fig.9. The
freewheel current in the upper diode is related to current in
the MOSFET as shown in Fig.2. Also presented are the
power waveforms for both the upper and lower legs in each
case.

255

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.9.  Waveforms (100ns/div; T

j

=110˚C)

The superior performance of the FREDFET when
compared to the conventional device is clear with the
current overshoot kept to below 8 A compared to over 18 A
using the latter. The lower reverse recovery current and
faster trr are reflected in the power waveforms with nearly
double the peak power being dissipated in the lower leg
using a conventional device compared to that dissipated
using the FREDFET. The power dissipated by the internal
diode of the FREDFET is also observed to be remarkably
reduced in comparison with the conventional MOSFET.

The performance of the three device implementations is
summarised in table 3 which shows the total energy
dissipated during switching in both legs for each case.

It can be seen that using a conventional MOSFET without
the external diode circuitry involves a six fold increase in
the energy dissipated in the MOSFET. However if a
FREDFET implementation is used the turn-on energy is
only a factor of two above the minimum achievable with the
extra diodes. Energy loss in the diode itself is relatively small
for both the FREDFET and the external diode configuration,

T

j

 = 110˚C

Energy Dissipated

Lower Leg

Upper Leg

(mJ)

(mJ)

 Conventional MOSFET

1.2

0.533

 MOSFET plus external

0.2

0.035

diodes

 BUK637-500B FREDFET

0.4

0.095

Table 3.

being less than 25 % that dissipated in the lower leg. For
the conventional device the diode loss is more significant,
equal to 44 % of the power dissipated during turn-on in the
lower leg. The energy value presented above represent
only the losses during turn-on, in addition to these are the
on-state losses which for the external diode configuration
include the extra power dissipated by the series diode.

256

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.10. Simplified circuit output stage circuit diagram (One phase shown)

20 kHz ACMC with FREDFETS

The three device options discussed above have each been
implemented in a 20 kHz AC Motor Control circuit. The
inverter provides a three phase 1 kVA output from a single
phase mains input. A simplified diagram of one of the output
stages is presented in Fig.10.

Figure 11 shows the current waveforms as the load current
commutates from the upper leg (anti-parallel diode in
conduction) to the lower leg (turn-on of the MOSFET) for
each device option. In each case the load current is 4.5 A.
Fig.11a illustrates the large overshoot current obtained with
a conventional device while Fig.11b shows what is achieved
when the two external diodes are incorporated. Finally
Fig.11c shows the current waveform for the FREDFET
implementation where the current overshoot is kept below
1.5 A by the built-in fast recovery diode of the device.

Conclusions

It has been shown that the FREDFET compares favorably
in ACMC systems compared with the standard MOSFET.
The normally employed extra diodes can be omitted thus
saving considerable costs in the system. The fast internal
diode is seen to be comparable with the normally used fast
epitaxial rectifiers and enables a simple ultrasonic ACMC.

Fig.11. Current waveforms in 20 kHz ACMC

(t=200ns/div; ID=2A/div).

257

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

3.1.4  A Designers Guide to PowerMOS Devices for Motor

Control

This section is intended to be used as a designers guide to
the use and selection of power MOSFETS and FREDFETS
in a.c. motor control (ACMC) applications. It is particularly
concerned with the variable speed operation of induction
motors using pulse width modulation (PWM) techniques.
One of the most important considerations in the design of
ACMC inverters is the optimum choice of power switching
device and heatsinking arrangement. Other factors which
relate to the losses in the power switch are switching speed
and design of suitable gate drive circuits. This section
addresses each of these factors and presents a series of
design graphs relating system operating temperature to
device type and heatsink size for systems rated up to 2.2kW
and operated from a single phase supply.

It should be noted that this article refers to some products
which may not be available at this time.

Introduction

Variable speed control of induction motors is a widespread
requirement in both industrial and domestic applications.
The advantages of an induction motor drive over alternative
systems such as d.c. motor controllers include:

-high reliability and long life
-low maintenance requirements
-brushless operation
-availability of standard machines.

With the advent of power switching devices able to provide
the required ratings for ACMC applications and the
availability of fast PWM pattern generation circuits these
advantages have lead to an increasing number of
applications where the inverter-fed induction motor system
produces a cost effective drive. Before considering in detail
the use of MOSFETs and FREDFETs in ACMC inverters it
is worth briefly considering the principles and operation of
the induction motor, the PWM method of voltage control
and the characteristics of the switching devices.

The induction motor

Induction motors are three phase machines where the
speed of rotation of the stator field (the synchronous speed,
N

s

) is determined by the number of poles, p, and the

frequency of the applied voltage waveforms, f

s

.

(1)

Torque production in an induction motor is due to the
interaction of the rotating stator field and currents in the
rotor conductors. Torque is developed when the rotor speed
’slips’ behind the synchronous speed of the stator travelling
field. Fig.1 shows the torque-speed characteristic of an
induction motor where

ω

s

is the speed of the stator field

(

ω

s

=2

π

f

s

) and

ω

r

is the rotor speed. The difference between

the two is usually relatively small and is the slip speed. The
solid portion of the characteristic is the main region of
interest where the motor is operating at rated flux and at
low slip. In this region the rotor speed is approximately
proportional to the stator supply frequency, except at very
low speeds. The operating point of the motor on its
torque-speed characteristic is at the intersection of the load
torque line and the motor characteristic. For small amounts
of slip and at constant airgap flux the motor torque is
proportional to the slip speed.

Fig.1 AC induction motor, Torque-Speed characteristic.

 

Fig.2 Torque-Speed characteristics, Variable speed

operation.

Torque

Speed

Te

Rated flux

Load
torque

Motor
torque

Slip

w

w

r

s

Torque

Speed

Te

Load

torque

f

1

f

2

f

3

w

w

w

w

w

w

r1

s1

r2

s2

r3

s3

V/f = constant

N

s

=

120.f

s

p

(rpm)

259

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

In a variable speed system the motor is operated on a series
of torque-speed characteristics as the applied frequency is
increased. Fig.2 shows a set of characteristics for three
conditions,

ω

s1

,

ω

s2

and

ω

s3

. The corresponding rotor speeds

are

ω

r1

,

ω

r2

and

ω

r3

. However in order that the airgap flux in

the motor is maintained at its rated value then the applied
voltage must be reduced in proportion to the applied
frequency of the travelling field. This condition for constant
airgap flux gives the constant v/f requirement for variable
speed control of a.c. induction motors. At low speeds this
requirement may be modified by voltage boosting the
supply to the motor in order to overcome the increased
proportion of ’iR’ voltage drop in the motor windings which
occurs at low speeds.

The PWM Inverter

A variable voltage, variable frequency three phase supply
for the a.c. induction motor can be generated by the use of
a pulse width modulated (PWM) inverter. A schematic
diagram of the system is shown in Fig.3. The system
consists of a rectified single phase a.c. supply, which is
usually smoothed to provide the d.c. supply rails for the
main switching devices. Alternate devices in each inverter
leg are switched at a high carrier frequency in order to
provide the applied voltage waveforms to the motor. During
each

switching

cycle

the

motor

current

remains

approximately constant due to the inductive nature of the
AC motor load.

Fig.3 PWM inverter, block diagram.

In the circuit of Fig.3 the main switching devices are
MOSFETs and each MOSFET has a freewheeling diode
connected in antiparallel. The motor load current is
determined by the circuit conditions. When the load current
in a particular phase is flowing into the motor then
conduction alternates between the top MOSFET and the
bottom freewheel diode in that inverter leg. When the load
current is flowing from the motor then the bottom MOSFET
and top diode conduct alternately. Fig.4 shows a typical

Fig.4 PWM phase voltage waveform.

sinusoidal PWM voltage waveform for one motor phase.
The three phases are maintained at 120˚ relative to each
other.

Both the frequency and amplitude of the fundamental
component of the output voltage waveform can be varied
by controlling the timing of the switching signals to the
inverter devices. A dedicated i.c. is usually used to generate
the switching signals in order to maintain the required v/f
ratio for a particular system.

(1)

The PWM algorithm

introduces a delay between the switching signal applied to
the MOSFETs in each inverter leg which allows for the finite
switching times of the devices and thus protects the system
from shoot-through conditions.

Additional harmonic components of output voltage, such as
the third harmonic, can be added to the PWM switching
waveform.

(2,3)

The effect of adding third harmonic to the

output voltage waveform is to increase the amplitude of the
fundamental component of output voltage from a fixed d.c.
link voltage. This is shown in Fig.5. The third harmonic
component of output phase voltage does not appear in the
output line voltage due to the voltage cancellation which
occurs in a balanced three phase system. Using this
technique it is possible to obtain an output line voltage at
the motor terminals which is nearly equal to the voltage of
the single phase supply to the system.

For many applications the PWM ACMC system is operated
at switching speeds in the range 1kHz to 20kHz and above.
Operation at ultrasonic frequencies has advantages that
the audible noise and RFI interference are considerably
reduced. The advantages of PowerMOS devices over
bipolar switching devices are most significant at these
switching speeds due to the low switching times of
PowerMOS devices. Additional advantages include good
overload capability and the fact that snubber circuits are
not usually required. It is usually straightforward to operate
PowerMOS devices in parallel to achieve higher system
currents than can be achieved with single devices. This is
because the devices have a positive temperature
coefficient of resistance and so share the load current

V

dc

0

V

dc

2

Mains 
input

Rectifier

Filter

Three phase

inverter

Induction

motor

A

B

C

PWM pattern

generator

Gate drivers

260

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.5  Addition of third harmonic to output voltage

waveform.

equally. The simple gate drive requirements of PowerMOS
devices means that a single gate circuit can often be used
for a range of devices without modification.

MOSFETs and FREDFETs in ACMC

One of the features associated with the transfer of
conduction between the switching devices and the
freewheel diodes in an inverter circuit is the reverse
recovery of the freewheel diode as each conducting
MOSFET returns to its on-state. Reverse recovery current
flows due to the removal of stored charge from a diode
following conduction. Fig.6 shows the device current paths
in an inverter leg when conduction is transferred from the
top diode to the bottom MOSFET.

The switching waveforms are shown in Fig.7 where the
diode reverse recovery current is I

rr

and the time taken for

the reverse recovery currents to be cleared is t

rr

. The

amount of stored charge removed from the body of the
diode is represented by the area Q

rr

. The reverse recovery

current flows through the MOSFET which is being turned
on in addition to the load current and thus causes additional
turn-on losses. The amount of stored charge increases with
increasing temperature for a given diode. Both the
magnitude of the reverse recovery current and its duration
must be reduced in order to reduce the switching losses of
the system.

This effect is important because inherent in the structure of
a power MOSFET is a diode between the source and drain
of the device which can act as a freewheeling diode in an
inverter bridge circuit. The characteristics of this diode are
not particularly suited to its use as a freewheel diode due
to its excessive charge storage and long recovery time.
These would lead to large losses and overcurrents during
the MOSFET turn-on cycle.

Fig.6  Inverter bridge leg.

Fig.7  Diode reverse recovery waveforms.

Fig.8 Circuit to deactivate MOSFET intrinsic diode.

In inverter applications the internal diode of a MOSFET is
usually deactivated by the circuit of Fig.8. Conduction by
the internal MOSFET diode is blocked by the series
Schottky diode (D3). This series device must carry all the
MOSFET current and so contributes to the total conduction
losses. The external diode, usually a fast recovery epitaxial

0

30

60

90

120

150

180

0

1

No 3rd harmonic

Added 3rd harmonic

Fundamental component

Fundamental + 3rd harmonic

V

dc

I L

I

rr

I L

I

L

MOSFET 
current

Diode
current

Output
voltage

I rr

t

rr

Time

Time

Time

IL+ I rr

V

dc

Q rr

D1

D2

D3

261

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

diode (FRED), carries the freewheel current. This device is
chosen such that its low values of I

rr

and t

rr

reduce the overall

switching losses.The FREDFET is essentially a MOSFET
with a very fast built-in diode, and hence can replace the
network of Fig.8 with a single device giving a very compact
ACMC inverter design using only six power switches.

(4)

The

reverse recovery properties of a FREDFET diode are
similar to those of a discrete FRED thus giving a
considerably neater circuit without any loss in switching
performance.

ACMC design considerations

Voltage rating

The first selection criteria for a PowerMOS device in an
inverter application is the voltage rating. For a 240V a.c.
single phase supply the peak voltage is 340V. Assuming
that the rectifier filter

removes the voltage ripple

components which occur at twice the mains frequency, and
dependent on the values of the filter components and
rectifier conduction voltage, then the dc link voltage will be
around 320V. Devices with a voltage rating of 500V will
allow sufficient capability for transient overvoltages to be
well within the capability of the device. Thus the dc link
voltage is given by:

V

dc

 = 

2.V

ac

(2)

where V

ac

is the rms ac input line voltage.

The output phase voltage, shown in Fig.4, switches
between the positive and negative inverter rail voltages.
The mean value of the output voltage is V

dc

/2. Neglecting

the delays which occur due to the finite switching times of
the devices then the maximum rms output phase voltage
is given by:

(3)

and hence the rms output line voltage is:

(4)

Comparing equations (2) and (4) shows that:

V

line

 = 0.866.V

ac

(5)

This shows that the fundamental rms line output voltage is
13% less than the rms ac input voltage. Adding third
harmonic to the PWM output waveform can restore this rms
output voltage to the ac input voltage. In a practical system
the effect of switching delays and device conduction
voltages can reduce the output voltage by upto 10-15%.

Current rating

The nameplate rating of an induction motor is usually
quoted in terms of its power (W) and power factor (cos

ϕ

).

The VA requirement of the inverter is found from the simple
equation:

Power(W) = 

η

.cos

ϕ

.VA

(6)

where

η

is the efficiency. In terms of the rms motor line

voltage (V

line

) and output current (I

L

):

VA = 

3.V

line

.I

L

(7)

The efficiency of small ac induction motors can be quite
high but they usually run at quite poor power factors, even
at rated conditions. For small induction motors (<2.2kW)
the efficiency-power factor product is typically in the range
0.55 to 0.65. The exact value will vary from motor to motor
and improves with increasing size. Thus from equations (6)
and (7) it is possible to calculate the approximate rms
current requirement. The peak device current for sinusoidal
operation is given by equation (8). (NB. The devices will
experience currents in excess of this value at switching
instants.)

I

max

=

2.I

L

(8)

Device package

The device package chosen for a particular application will
depend upon device rating, as discussed above, as well as
circuit layout and heatsinking considerations. Philips
PowerMOS devices are available in a range of package
types to suit most applications.

Drive considerations

Unlike bipolar devices the MOSFET is a majority carrier
device and so no minority carriers must be moved in and
out of the device as it turns on and off. This gives the fast
switching performance of MOSFET devices. During
switching instants the only current which must be supplied
by the gate drive is that required to charge and discharge
the device capacitances. In order to switch the device
quickly the gate driver must be able to rapidly sink and
source currents of upto 1A. For high frequency systems the
effect of good gate drive design to control switching times
is important as the switching losses can be a significant
proportion of the total system losses.

Fig.9 shows an equivalent circuit of the device with the
simplest gate drive arrangement. The drain-source
capacitance does not significantly affect the switching
performance of the device. Temperature only has a small
effect on the values of these capacitances and so the device
switching times are essentially independent of temperature.
The device capacitances, especially C

GD

, vary with V

DS

and

this variation is plotted in data for all PowerMOS devices.

V

ph

=

1

√

2

.

V

dc

2

V

line

=

√

3

.

V

ph

=

√

3

.

V

dc

2.

√

2

262

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.9 MOSFET capacitances and basic gate driver

Turn-on (Fig.10)

A turn-on gate voltage pulse commences at t

0

. The gate

voltage v

GS

rises as current flows into the device via R

GG

.

C

GS

starts to charge up until v

GS

reaches its threshold value

v

GS(TO)

at time t

1

. The device is now operating in its active

region with a relatively high power loss. The MOSFET
current, rises as a function of v

GS

-v

GS(TO)

and causes a

corresponding fall in the diode current. Thus the rate of fall
of diode current, and hence the amount of diode reverse
recovery current, is controllable by the rate of rise of v

GS

.

At time t

4

the diode has recovered and the MOSFET current

is equal to the load current, I

L

. V

GS

is clamped to v

GS(IL)

and

so the gate current is given by:

(9)

This current flows through C

GD

, discharging it and so the

rate of fall of output voltage is given by:

(10)

The fall in v

DS

commencing at time t

3

is not linear, principally

because C

GD

increases with reducing v

DS

. At time t

5

C

GD

is

fully discharged and the device is on. The gate voltage
continues to charge up to its final value, v

GG

. It is usual to

have a value of v

GG

significantly higher than v

GS(IL)

because

r

DS(on)

falls with increasing v

GS

. Additionally a high value if

v

GG

speeds up the turn-on time of the device and provides

some noise immunity.

Switching losses occur during the period t

1

to t

5

. The

minimum turn-on time is usually governed by the dv/dt
capability of the system. Reducing the turn-on time
increases the amount of diode reverse recovery current and
hence increases the peak power dissipation, however the
total power dissipated tends to reduce.

Fig.10 MOSFET turn-on waveforms

Fig.11 MOSFET turn-off waveforms

Turn-off (Fig.11)

Unlike the conditions which occur at turn-on there is no
interaction between the switching devices at turn-off. The
switching

waveforms

are,

therefore,

relatively

straightforward. The gate voltage is switched to ground or,
if very fast turn-off is required, to a negative voltage. During
the delay time t

0

to t

1

the gate voltage falls to the value

required to maintain the output current, I

O

. From time t

1

to

t

2

the gate supply is sinking current and C

GD

charges the

drain up to the positive rail voltage. V

GS

then continues to

fall and so the device current falls between times t

2

and t

3

,

At t

3

the gate voltage falls below its threshold value and the

device turns off. The rate of rise of output voltage is:

C DS

CGD

C

GS

D

S

G

R GG

V

GG

t0

t1

t2 t3 t4

t5

t6

v

GG

v GS

i

DIODE

i

D

v

DS

VGG

VGG

I L

v

GG

v

GS

i

D

v

DS

t0

t1

t2

t4

V

dc

t3

i

G

=

v

GG

v

GS

(

IL

)

R

GG

dv

DS

dt

=

i

G

C

GD

=

(

v

GG

v

GS

(

IL

)

)

R

GG

.

C

GD

263

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

(11)

Parasitic turn-on

In a high frequency system the device switching times are
necessarily short and so the rates of change of inverter
output voltage are high. The high values of dv/dt which
occur when one device turns on can cause a sufficiently
high voltage at the gate of the other device to also turn it
on. The coupling occurs via C

GD

and C

GS

. If the rate of

change of output voltage due to one device turning on is
given by dv

DS

/dt then the voltage that would be seen at the

gate of the other device if it were left open circuit is:

(12)

If C

GS

is shorted out by a zero impedance, then clearly

dV

GS

/dt can be reduced to zero. In practice achieving a zero

impedance in the gate-source circuit is extremely difficult
and dV

GS

/dt will not be zero. In the worst case this rising

gate voltage will turn the device fully on and a destructive
shoot-through condition occur. If the conditions are less
severe then the MOSFET may only turn on for a short period
of time giving rise to an additional overcurrent in the turn-on
cycle of the device being switched. Parasitic turn-on, as this
effect is referred to, must be prevented by either limiting
dv

DS

/dt or by ensuring that v

GS

is clamped off. In systems

where the off-state gate-source voltage is negative then the
possibility of parasitic turn-on can be reduced.

Gate drive circuits for ACMC inverters

The

previous

section

discussed

device

switching

waveforms using a resistive gate drive circuit. In this section
various alternative gate drive circuits for ACMC applications
are presented and compared. The discussion assumes that
each MOSFET gate drive circuit is isolated and driven using
a CMOS buffer capable of sinking and sourcing the required
gate current. In unbuffered gate drive circuits the leakage
inductance of an isolating pulse transformer can increase
the gate impedance, thus reducing the maximum possible
switching rate and making the MOSFET more susceptible
to parasitic turn-on. A zener diode clamp protects the
gate-source boundary from destructive overvoltages.
Identical drivers are used for the top and bottom devices in
each inverter leg. The gate drive circuits presented here
were

tested

using

BUK638-500A

FREDFETS

and

BUK438-500A MOSFETS in a 20kHz, 2.2kW ACMC
system.

Figure 12 shows the simplest arrangement which gives
independent control of the turn-on and turn-off of the
MOSFET. Increasing the gate impedance to reduce dV

DS

/dt

levels will raise the susceptibility to parasitic turn-on
problems. The gate-source voltage can be clamped off

Fig.12  Gate drive circuit with different turn-on and

turn-off paths

Fig.13  Gate drive circuit with improved parasitic turn-on

immunity

more effectively if the dynamic impedance between gate
and source is reduced as shown in the circuit of Fig.13. The
additional gate-source capacitance ensures that v

GS

does

not rise excessively during conditions when parasitic
turn-on could occur (Equation 12). The external capacitor
C

GS

‘ must be charged up at turn-on. If C

GS

‘ is made too large

then the current required may be beyond the rating of the
drive buffer. The speed-up diode, D2, ensures that the
turn-on is not compromised by C

GS

‘and R

GGR

. At turn off the

additional capacitance slows down dI

D

/dt since the

gate-source RC time constant is increased. It must be noted
that one effect of the turn-off diode, D1, is to hold the
off-state value of v

GS

above 0V, and hence somewhat closer

to the threshold voltage of the device.

An alternative circuit which may be used to hold the
MOSFET off-state gate-source voltage below its threshold
value is shown in Fig.14. The pnp transistor turns on if the
gate-source voltage is pulled up via C

GD

and C

GS

and thus

the device remains clamped off.

dv

DS

dt

=

i

G

C

GD

=

v

GS

(

IL

)

R

GG

.

C

GD

RGGF 100R

RGGR 10R

D1

dv

GS

dt

=

C

GD

C

GS

+

C

GD

.

dv

DS

dt

RGGF 100R

RGGR 10R

CGS’

10nF

D2

D1

264

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.14 Alternative gate drive circuit with improved

parasitic turn immunity

Parallelling of PowerMOS devices

Moving to a system using parallelled MOSFETs requires
only slight modifications to the gate drive circuit. One
consideration may be the capability of the drive buffer to
provide the currents required at the switching instants. The
switching speed of the system can be maintained. using a
lower impedance gate drive. It is recommended that small
differential resistors, as shown in Fig.15, are used to damp
out any oscillations which may occur between the switching
devices and the rest of the circuit. The circuit of Fig.13 can
be modified for operation with parallelled devices to that
shown in Fig.16.

Circuit layout considerations

The effects of poor circuit design and layout are to increase
RFI and noise and to compromise the performance and
speed of the system due to stray inductances. The
precautions which must be taken to minimise the amount
of stray inductance in the circuit include:

- positioning the gate drive circuits, especially zener diodes

and dv/dt clamping circuits as close as possible to the
power MOSFETs.

- reducing circuit board track lengths to a minimum and

using twisted pairs for all interconnections.

- for parallelled devices, keeping the devices close to each

other and keeping all connections short and symmetrical.

Fig.15

  Gate drive circuit for parallelled devices

Fig.16  Gate drive circuit for parallelled devices with

improved parasitic turn-on immunity

Modelling of parasitic turn-on

Using the simple MOSFET model of Fig.9 it is possible to
study the susceptibility to parasitic turn-on of alternative
gate drive circuits. Considering the switching instant when
the bottom MOSFET is held off and the top MOSFET is
switched on, the voltage across the bottom MOSFET
swings from the negative inverter rail to the positive one.
The switching transient can be modelled by an imposed
dv

DS

/dt across C

GD

and C

GS

and hence the effect of gate

circuit design and dv

DS

/dt on v

GS

can be studied using simple

SPICE models.

Typical data sheet values of C

GD

and C

GS

for a 500V

MOSFET were used. The simulated results assume
constant dv

DS

/dt, that freewheel diode reverse recovery can

be neglected and that the off-state gate drive buffer output
is at 0V with a sink impedance of around 5

. In practice

the dv

DS

/dt causing parasitic turn-on is not constant and is

only at its maximum value for a small proportion of the
voltage transition. Thus the results shows here represent
a ’worst-case’ condition for the alternative gate drive circuits
used to clamp v

GS

to below its threshold value, typically 2V

to 3V. (The simple circuit model used here ceases to
become valid once v

GS

reaches v

GS(TO)

(time t

1

in Fig.10)

when the MOSFET starts to turn on.)

Fig.17 shows the relevant waveforms for the circuit of Fig.9
with R

GG

=100

. The top waveform in Fig.17 shows an

imposed dv

DS

/dt of 3.5V/ns and a dc link voltage of 330V.

The centre trace of Fig.17 shows that v

GS

rises quickly

(reaching 3V in 25ns); at this point the MOSFET would start
to turn on. The bottom trace shows the C

GD

charging current

sinking through the gate drive resistor R

GG

. For the circuit

of Fig.12 with R

GGF

=100

and R

GGR

=10

, Fig.18 shows that

the gate source voltage is held down by the reduced drive
impedance but still reaches 3V after 35ns.

RGGF 47R

RGG’ 10R

RGG’ 10R

CGS’

20nF

RGGF 47R

RGG’ 10R

RGG’ 10R

265

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

 

Fig.

17 Parasitic turn-on waveforms for circuit of Fig.9

Fig.

19 Parasitic turn-on waveforms for circuit of Fig.13,

C

GS

‘=10nF

Fig.

21 Parasitic turn-on waveforms for circuit of Fig.16,

C

GS

‘=20nF

Fig.

18 Parasitic turn-on waveforms for circuit of Fig.12

Fig.

20 Parasitic turn-on waveforms for circuit of Fig.13,

C

GS

‘=4.7nF

Fig.

22 Parasitic turn-on waveforms for circuit of Fig.16,

L

s

=20nH

 

stray inductance

0

2E-08

4E-08

6E-08

8E-08

1E-07

0

5

10

15

 

 

0

2E-08

4E-08

6E-08

8E-08

1E-07

0

100

200

300

400

 

 

0

2E-08

4E-08

6E-08

8E-08

1E-07

0

0.05

0.1

0.15

 

 

v

DS

(V)

v

GS

(V)

i

GG

(A)

0

2E-08

4E-08

6E-08

8E-08

1E-07

0

2

4

6

 

 

0

2E-08

4E-08

6E-08

8E-08

1E-07

0

100

200

300

400

 

 

0

2E-08

4E-08

6E-08

8E-08

1E-07

0

0.1

0.2

0.3

0.4

 

 

v

DS

(V)

v

GS

(V)

i

GG

(A)

0

2E-08

4E-08

6E-08

8E-08

1E-07

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

 

 

0

2E-08

4E-08

6E-08

8E-08

1E-07

0

100

200

300

400

 

 

0

2E-08

4E-08

6E-08

8E-08

1E-07

0

1

2

3

4

5

 

 

i

CG’

i

RGGR

v

DS

(V)

v

GS

(V)

i

GG

(A)

0

2E-08

4E-08

6E-08

8E-08

1E-07

0

100

200

300

400

 

 

0

2E-08

4E-08

6E-08

8E-08

1E-07

0

1

2

3

4

 

 

0

2E-08

4E-08

6E-08

8E-08

1E-07

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

 

 

i

RGGR

i

CG’

v

DS

(V)

v

GS (V)

i

GG

(A)

0

2E-08

4E-08

6E-08

8E-08

1E-07

0

100

200

300

400

 

 

 

 

 

 

0

2E-08

4E-08

6E-08

8E-08

1E-07

0

1

2

3

4

 

 

0

2E-08

4E-08

6E-08

8E-08

1E-07

-1

-0.5

0

0.5

1

 

 

v

DS (V)

v

GS (V)

v

Ls

(V)

0

2E-08

4E-08

6E-08

8E-08

1E-07

0

1

2

3

4

 

 

0

2E-08

4E-08

6E-08

8E-08

1E-07

0

100

200

300

400

 

 

0

2E-08

4E-08

6E-08

8E-08

1E-07

0

0.2

0.4

0.6

0.8

 

 

i

CG’

i

GG

v

DS

(V)

v

GS

(V)

i

GG

(A)

266

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Figure 19 shows the response of the circuit of Figure 13
with C

GS

‘=10nF. Here the gate-source voltage is held down

during the parasitic turn-on period and so the MOSFET
stays off. If the value of C

GS

‘ is reduced to 4.7nF then the

results given in Fig.20 show that v

GS

reaches 3V after 55ns

thus reducing immunity to parasitic turn-on.

Figures 21 and 22 show the conditions for parallel
connected MOSFETs using the circuit of Fig.16. In Fig.21,
for R

GG1

=47

, R

GG

‘=10

and C

GS

‘=20nF, the bottom trace

in the figure shows that a potential parasitic turn-on
condition is avoided and v

GS

is held below its threshold

value. The bottom trace in Fig.21 shows most of the
parasitic turn-on current is taken by C

GS

‘. Figure 22 shows

the effect of stray inductance between the gate drive circuit
and the PowerMOS device. The circuit of Fig.16 has been
modified by the addition of 20nH of stray inductance
between the gate node and the dv/dt clamping network.
During switching of the top device with dv/dt=3.5V/ns the
stray inductance develops over 0.6V due to coupling via
C

GD

. Clearly this could significantly affect the performance

of the drive during normal turn-on, and increase the
prospect of the bottom MOSFET being subject to parasitic
turn-on problems.

These results show that immunity to parasitic turn-on can
be greatly improved by alternative gate circuit design. The
SPICE modelled circuits show the worst case conditions of
constant dv

DS

/dt and show that v

GS

can be held below its

threshold voltage using the circuits shown in the previous
section. Experimental measurements have confirmed
these results in a prototype 20kHz ACMC system.

Device losses in ACMC inverters

It is important to be able to calculate the losses which occur
in the switching devices in order to ensure that device
operating temperatures remain within safe limits. Cooling
arrangements for the MOSFETs or FREDFETs in an ACMC
system will depend on maximum allowable operating
temperatures,

ambient

temperature

and

operating

conditions for the system. The components of loss can be
examined in more detail:

MOSFET Conduction losses

When a MOSFET or FREDFET is on and carrying load
current from drain to source then the conduction ’i

2

R’ loss

can be calculated. It is important to note that the device
current is not the same as the output current, as
demonstrated by the waveforms of Fig.23. The figure shows
a sinusoidal motor load current waveform and the top and
bottom MOSFET currents. The envelopes of the MOSFET

currents are half sinusoids; however the actual device
currents are interrupted by the instants when the load
current flows through the freewheel diodes. For the
purposes of calculating MOSFET conduction losses it is
acceptable to neglect the ’gaps’ which occur when the
freewheel diodes are conducting for the following reasons:

Fig.23

  Motor current and device current waveforms in a

PWM inverter

-When the motor load current is near its maximum value
the switching duty cycle is also near its maximum and
so the proportion of time when the diode conducts is
quite small and can be neglected.
-When the motor load current is near zero then the
switching duty cycle is low but the MOSFET is only
conducting small amounts of current. As the MOSFET
current is low then the contribution to total conduction
loss is small.

Thus if the MOSFET is assumed to be conducting load
current for the whole half-period then the conduction losses
can be calculated using the current envelope of Fig.23.
These losses will be overestimated but the discrepancy will
be small. The conduction losses can be given by:

P

M(ON)

 = I

T

2

.R

DS(ON)

(T

j

)

(13)

where I

T

is the rms value of the half sinusoid MOSFET

current envelope.

and:

R

DS(ON)

(T

j

) = R

DS(ON)

(25˚C).e

k(Tj-25)

(14)

where k=0.007 for a 500V MOSFET, and k=0.006 for a
500V FREDFET.

I

T

is related to the rms motor current, I

L

, by:

(15)

i

L

i

T1

i

T2

Load current

Top MOSFET current

Bottom MOSFET current

I

T

=

I

max

2

=

I

L

√

2

267

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.24  Selection graphs for a 1.7A motor

NB. Device selection notation: 1X655-A denotes a single BUK655-500A FREDFET, etc.

 

PHILIPS 500V FREDFETS

Frequency = 5kHz

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2

40

50

60

70

80

90

100

Heatsink size, Rth_hs-amb (K/W)

Heatsink temperature, T_hs

 

PHILIPS 500V MOSFETS (+ diode network)

Frequency = 5kHz

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2

40

50

60

70

80

90

100

Heatsink size, Rth_hs-amb (K/W)

Heatsink temperature, T_hs

 

PHILIPS 500V MOSFETS (+ diode network)

Frequency = 20kHz

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2

40

50

60

70

80

90

100

Heatsink size Rth_hs-amb (K/W)

Heatsink temperature, T_hs

 

PHILIPS 500V FREDFETS

Frequency = 20kHz

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2

40

50

60

70

80

90

100

Heatsink size Rth_hs-amb (K/W)

Heatsink temperature, T_hs

655-A

655-B

637-A

637-B

638-A

638-B

655-A

655-B

637-A

637-B

638-A

638-B

455-A

455-B

437-A

437-B

438-A

438-B

455-A

455-B

437-A

437-B

438-A

438-B

Additionally in a MOSFET inverter the series blocking
Schottky diode (D3 of Fig.8) has conduction losses. The
current in this diode is the main MOSFET current and so
its loss is approximated by:

P

Sch(ON)

= V

f

(T

j

).I

T

(16)

Diode conduction losses

In a MOSFET inverter the freewheel diode losses occur in
a discrete device (D2 of Fig.8) although this device is often
mounted on the same heatsink as the main switching
device. In a FREDFET circuit the diode losses occur in the
main device package. The freewheeling diode carries the

’gaps’ of current shown in Fig.23 during the periods when
its complimentary MOSFET is off. Following the argument
used above the diode conduction loss is small and can be
neglected. Using this simplification we have effectively
transferred the diode conduction loss and included it in the
figure for MOSFET conduction loss.

MOSFET switching losses

During the half-cycle of MOSFET conduction the load
current switched at each instant is different (Fig.23). The
amount of current switched will also depend on the reverse
recovery of the bridge leg diodes and hence on the

268

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.25  Selection graphs for a 3.4A motor

NB. Device selection notation: 1X655-A denotes a single BUK655-500A FREDFET, etc.

 

PHILIPS 500V FREDFETS

Frequency = 5kHz

Heatsink size, Rth_hs-amb (K/W)

Heatsink temperature, T_hs

 

PHILIPS 500V MOSFETS (+ diode network)

Frequency = 5kHz

Heatsink size, Rth_hs-amb (K/W)

Heatsink temperature, T_hs

 

PHILIPS 500V MOSFETS (+ diode network)

Frequency = 20kHz

Heatsink size Rth_hs-amb (K/W)

Heatsink temperature, T_hs

 

PHILIPS 500V FREDFETS

Frequency = 20kHz

Heatsink size Rth_hs-amb (K/W)

Heatsink temperature, T_hs

655-A

655-B

637-A

637-B

638-A

638-B

655-A

655-B

637-A

637-B

638-A

638-B

455-A

455-B

437-A

437-B

438-A

438-B

455-A

455-B

437-A

437-B

438-A

438-B

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

40

50

60

70

80

90

100

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

40

50

60

70

80

90

100

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

40

50

60

70

80

90

100

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

40

50

60

70

80

90

100

temperature of the devices. The total turn-on loss (P

M(SW)

)

will be a summation of the losses at each switching instant:

(17)

MOSFET turn-off times are usually only limited by dv/dt
considerations and hence are as short as possible. The
turn-off loss of the MOSFETs or FREDFETs in an inverter
is small compared with the turn-on loss and can usually be
neglected.

Diode switching losses

Diode turn-off loss (P

D(SW)

) is calculated in a similar manner

to the MOSFET turn-on loss. The factors which affect the
diode turn-off waveforms have been discussed earlier.
Diode turn-on loss is usually small since the diode will not
conduct current unless forward biassed. Thus at turn-on
the diode is never simultaneously supporting a high voltage
and carrying current.

Gate drive losses

Some loss will occur in the gate drive circuit of a PowerMOS
device. As the gate drive is only delivering short pulses of
current during the switching instants then these losses are
negligibly small.

P

M(SW)

= ∑

n

=

0

f

(

T

j

,

I

n

)

269

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.26  Selection graphs for a 6.8A motor

NB. Device selection notation: 1X638-A denotes a single BUK638-500A FREDFET, etc.

 

PHILIPS 500V FREDFETS

Frequency = 5kHz

Heatsink size, Rth_hs-amb (K/W)

Heatsink temperature, T_hs

 

PHILIPS 500V MOSFETS (+ diode network)

Frequency = 5kHz

Heatsink size, Rth_hs-amb (K/W)

Heatsink temperature, T_hs

 

PHILIPS 500V MOSFETS (+ diode network)

Frequency = 20kHz

Heatsink size Rth_hs-amb (K/W)

Heatsink temperature, T_hs

 

PHILIPS 500V FREDFETS

Frequency = 20kHz

Heatsink size Rth_hs-amb (K/W)

Heatsink temperature, T_hs

1X 638-A 2X 637-A 3X 637-A 2X 638-A 3X 638-A 1X 617-AE

1X 438-A 2X 437-A 2X 438-A 3X 437-A 3X 438-A 1X 417-AE

1X 638-A 2X 637-A 3X 637-A 2X 638-A 3X 638-A 1X 617-AE

1X 438-A 2X 437-A 2X 438-A 3X 437-A 3X 438-A 1X 417-AE

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

40

50

60

70

80

90

100

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

40

50

60

70

80

90

100

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

40

50

60

70

80

90

100

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

40

50

60

70

80

90

100

System operating temperatures

In this section the device losses discussed in the previous
section are calculated and used to produce a design guide
for the correct selection of Philips PowerMOS devices and
appropriate heatsink arrangements for ACMC applications.
The following factors must be take into account when
calculating the total system loss, P

LOSS

:

-Device characteristics
-Switching frequency
-Operating temperature
-Load current
-Number of devices used in parallel.
-Additional snubber or di/dt limiting networks.

P

LOSS

 = P

M(ON)

+P

M(SW)

+P

D(SW)

+P

Sch(ON)

(18)

For the results presented here the device parameters were
taken for the Philips range of 500V MOSFETs and
FREDFETs. The on-state losses can be calculated from
the equations given above. For this analysis the device
switching losses were measured experimentally as
functions of device temperature and load current. As there
are six sets of devices in an ACMC inverter then the total
heatsink requirement can be found from:

T

hs

 = T

ahs

 + 6.P

LOSS

.R

th(hs-ahs)

(19)

T

j

=T

hs

 + P

LOSS

.R

th(j-hs)

(20)

270

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.27  Selection graphs for a 10A motor

NB. Device selection notation: 2X638-A denotes two parallelled BUK638-500A FREDFETs, etc.

 

PHILIPS 500V FREDFETS

Frequency = 5kHz

Heatsink temperature, T_hs

 

PHILIPS 500V MOSFETS (+ diode network)

Frequency = 5kHz

Heatsink size, Rth_hs-amb (K/W)

Heatsink temperature, T_hs

 

PHILIPS 500V MOSFETS (+ diode network)

Frequency = 20kHz

Heatsink size Rth_hs-amb (K/W)

Heatsink temperature, T_hs

 

PHILIPS 500V FREDFETS

Frequency = 20kHz

Heatsink size Rth_hs-amb (K/W)

Heatsink temperature, T_hs

2X 638-A 3X 637-A 3X 638-A 4X 637-A 4X 638-A 1X 617-AE

2X 438-A 3X 437-A 3X 438-A 4X 437-A 4X 438-A 1X 417-AE

40

50

60

70

80

90

100

Heatsink size, Rth_hs-amb (K/W)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

40

50

60

70

80

90

100

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

40

50

60

70

80

90

100

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

40

50

60

70

80

90

100

2X 638-A 3X 637-A 3X 638-A 4X 637-A 4X 638-A 1X 617-AE

2X 438-A 3X 437-A 3X 438-A 4X 437-A 4X 438-A 1X 417-AE

Equations 18 to 20 can be used to find the heatsink size
(R

th(hs-ahs)

) required for a particular application which will

keep the heatsink temperature (T

hs

) within a required design

value. Results are plotted in Figures 24 to 27 for motor
currents of I

L

= 1.7A, 3.4A, 6.8A and 10.0A. These currents

correspond to the ratings of several standard induction
motor sizes. The results assume unsnubbed devices, an
ambient temperature of T

ahs

=40˚C, and are plotted for

inverter switching frequencies of 5kHz and 20kHz.

Two examples showing how these results may be used are
given below:

1) -The first selection graph in Fig.24 shows the possible

device selections for 500V FREDFETs in a 5kHz ACMC

system where the full load RMS motor current is 1.7A.
Using a

BUK655-500A FREDFET,

T

hs

can be

maintained

below

70˚C

with

a

total

heatsink

requirement of 1.2K/W (if each FREDFET was mounted
on a separate heatsink then each device would need a
7.2K/W heatsink). The same heatsinking arrangement
will give T

hs

=50˚C using a BUK638-500A. Alternatively

T

hs

can be maintained below 70˚C using a 2K/W

heatsink (12K/W per device) and the BUK637-500B.

2) -In Fig.27 the selection graphs for a 10A system are

given. The fourth selection graph is for a 20kHz
switching frequency using 500V MOSFETs. Here two
BUK438-500A devices connected in parallel for each
switch will require a total heatsink size of 0.3K/W if the

271

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

heatsink temperature is to remain below 90˚C. The
same temperature can be maintained using a 0.5K/W
heatsink and a single BUK417-500AE ISOTOP device.

For different motor currents or alternative PWM switching
frequencies

the

appropriate

device

and

heatsink

arrangement for a particular application can be found by
interpolating the results presented here.

Conclusions

This section has outlined the basic principles and operation
of PWM inverters for ACMC applications using Philips
PowerMOS devices. MOSFETs and FREDFETs are the
most suitable devices for ACMC systems, especially at high
switching speeds. This section has been concerned with
systems rated up to 2.2kW operating from a single phase
supply and has shown that there is a range of Philips
PowerMOS devices ideally suited for these systems.

The characteristics and performance of MOSFETs and
FREDFETs in inverter circuits and the effect of gate drive
design on their switching performance has been discussed.
The possibility of parasitic turn-on of MOSFETs in an
inverter bridge leg can be avoided by appropriate gate drive
circuit design. Experimental and simulated results have

shown that good switching performance and immunity to
parasitic turn-on can be achieved using the Philips range
of PowerMOS devices in ACMC applications . Using the
device selection graphs presented here the correct
MOSFET or FREDFET for a particular application can be
chosen. This guide can be used to select the heatsink size
and device according to the required motor current,
switching frequency and operating temperature.

References

1. Introduction to PWM speed control system for 3-phase

AC motors: J.A.Houldsworth, W.B.Rosink: Electronic
Components and Applications, Vol 2, No 2, 1980.

2. A new high-quality PWM AC drive: D.A.Grant,

J.A.Houldsworth, K.N.Lower: IEEE Transactions, Vol
IA-19, No 2, 1983.

3. Variable speed induction motor with integral ultrasonic

PWM inverter: J.E.Gilliam, J.A.Houldsworth, L.Hadley:
IEEE Conference, APEC, 1988, pp92-96.

4. MOSFETs and FREDFETs in motor drive equipment:

Chapter 3.1.3.

272

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

3.1.5  A 300V, 40A High Frequency Inverter Pole Using

Paralleled FREDFET Modules

Introduction

Voltage source inverters which are switched using some
form of pulse width modulation are now the standard in low
to medium rated AC and brushless DC variable speed
drives. At present, because of device limitations the
switching (modulation) frequencies used in all but the
lowest drive ratings are restricted to a few kHz. There is
however a strong technical advantage in using much higher
ultrasonic switching frequencies in excess of 20 kHz, the
benefits of which include:

i) The low frequency distortion components in the inverter
output waveform are negligible. As a result there is no
longer a need to derate the electrical machine in the drive
as a consequence of harmonic loss.

ii) The supply derived acoustic noise is eliminated.

iii) The DC link filter component values are reduced.

The device best suited for high switching frequencies is the
power MOSFET because of its extremely fast switching

time and the absence of secondary breakdown. However,
being surface conduction devices, high power rated
MOSFETs are difficult and expensive to manufacture and
at present single MOSFETs are only suitable for inverter
ratings of typically 1-2 kVA per pole. Although higher rated
power devices such as bipolar transistors and IGBTs can
be switched at medium to high frequencies, the switching
losses in these circuits are such that frequencies in excess
of 20 kHz are at present difficult to achieve.

Switches with high ratings and fast switching times can be
constructed by hard paralleling several lower rated power
devices. MOSFETs are particularly suitable because the
positive temperature coefficient of the channel resistance
tends to enforce good steady-state current sharing between
parallel devices. However to achieve good dynamic current
sharing during switching, considerable care must be taken
in the geometric layout of the paralleled devices on the
common heatsink. In addition, the device characteristics
may need to be closely matched. As a result modules of
paralleled MOSFETs are often expensive.

Fig.1

+

-

1

2

N

DC
Rail

Within each mdule:

Good transient + steady state load sharing
Isolated drive circuit

Pole 

Output

273

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

An alternative approach to paralleling is to use small
switching aid networks which overcome the constraints of
hard paralleling by improving the dynamic load sharing of
the individual devices. It is possible to envisage an inverter
design where each pole consists of a number of identical
pole modules which share a common supply and have
outputs connected in parallel, as shown in Fig.1. Each
module is designed to operate individually as an inverter
pole and contains two power MOSFETs with associated
isolated gate drive circuitry. When the modules are
connected in parallel their design is such that they will
exhibit good transient and steady-state load sharing, the
only requirement being that they are mounted on a common

heatsink. In this manner any inverter volt-amp rating can
be accommodated by paralleling a sufficient number of pole
modules.

Pole module

The power circuit diagram of an individual pole module
which is suitable for the second form of paralleling is shown
in Fig.2. The design makes use of the integral body diode
of the main switching devices and for this purpose the fast
recovery characteristics of FREDFETs are particularly
suitable. Two snubber circuits and a centre tapped
inductance are included in the circuit. These small switching
aid networks perform a number of functions in the circuit:

Fig.2

274

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

i) They act to improve the dynamic current sharing between
the pole modules when connected in parallel.
ii) They ensure safe operation of the MOSFET integral body
diode. The central inductance controls the peak reverse
current of the diode and the snubber network prevents
secondary breakdown of the MOSFET parasitic internal
transistor as the integral body diode recovers.
iii) They reduce the switching losses within the main power
devices and thus allows maximum use of the available
rating.

Fig.3

The operation of the circuit is typical of this form of inverter
pole. The commutation of the integral body diode will be
discussed in detail since it is from this section of the
operation that the optimal component values of the
switching aid network are determined. The value of the
inductor L is chosen to give a minimum energy loss in the
circuit and the snubber network is designed to ensure safe
recovery of the integral diode at this condition. For example
consider the case when there is an inductive load current
I

L

flowing out of the pole via the integral body diode of the

lower MOSFET just prior to the switching of the upper
MOSFET. With reference to Fig.3, the subsequent
operation is described by the following regions:

Region A: Upper MOSFET is switched on. The current in
the lower integral body diode falls at a rate (dI/dt) equal to
the DC link voltage V

DD

divided by the total inductance L of

the centre tapped inductance.

Region B: The diode current becomes negative and
continues to increase until the junction stored charge has
been removed, at which stage the diode recovers
corresponding to a peak reverse current I

RR

.

Region C: The voltage across the lower device increases
at a rate (dV/dt) determined by the capacitance C

s

of the

lower snubber network. The current in the upper MOSFET
and the inductor continues to increase and reaches a peak
when the voltage across the lower device has risen to the
DC link value. At this point the diode D

c

becomes forward

biased and the stored energy in the inductor begins to
discharge through the series resistance R

c

.

The energy E

1

gained by the switching aid networks over

the above interval is given by:

and is ultimately dissipated in the network resistors R

s

, R

c

.

For a given forward current, the peak reverse current I

RR

of

the diode will increase with increasing dI/dt and can be
approximately represented by a constant stored charge,
(Q

RR

) model, where:

Although in practice I

RR

will tend to increase at a slightly

faster rate than that given by equation (2).

Since in the inverter pole circuit

Inspection of equations (1) and (4) shows that the energy
loss E

1

remains approximately constant as L is varied.

During the subsequent operation of the inverter pole when
the upper MOSFET is turned off and the load current I

L

returns to the integral body diode of the lower device, an
energy loss E

2

occurs in the inductor and the upper snubber

equal to:

This loss can be seen to reduce with L. However as L is
reduced both I

RR

and the peak current in the upper MOSFET

will increase and result in higher switching loss in the diode
and higher conduction loss in the channel resistance of the
upper device.

The value of L which gives minimum energy loss in the pole
occurs when there is an optimal balance between the
effects described above. Typical measured dependencies
of the total energy loss on the peak reverse diode current
as L is varied are shown in Fig.4. The characteristics of a
similarly rated conventional MOSFET and a fast recovery
FREDFET are compared in the figure. In both cases the
minimum energy loss occurs at the value of L which gives
a reverse recovery current approximately equal to the
design load current. However the loss in the FREDFET
circuit is considerably lower than with the conventional
device. The optimal value of L can be found from the
manufacturers specified value of stored charge using
equation (4), where

I

RR

=

√

2

dI

dt

Q

RR

(

2

)

I

L

Diode
current

I rr

t

rr

Time

Q rr

A

B

C

dI/dt

dI

dt

=

V

DD

L

(

3

)

I

RR

=

√

2V

DD

Q

RR

L

(

4

)

E

2

=

1
2

I

L

2

L

+

1
2

C

s

V

DD

2

(

5

)

E

1

=

1
2

I

RR

2

L

+

1
2

C

s

V

DD

2

(

1

)

275

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.4

The snubber capacitor value C

s

is chosen to limit the dV/dt

across the integral body diode as it recovers. Experience
has shown that a value of 1V/nS will ensure safe operation,
hence:

The resistive component of the switching aid networks are
chosen in the usual manner.

Parallel operation of pole modules

The principle behind the ‘soft’ paralleling adopted here is
to simply connect the outputs of the required number of
modules together and feed them with a common DC link
and control signals. The transient load sharing between the
parallel modules will be influenced by the tolerances in the
individual inductor and snubber capacitor values and any
variations in the switching instances of the power devices,
the latter being as a result of differences in device
characteristics and tolerances in the gate drive circuitry.
These effects were investigated using the SPICE circuit

simulation package. The SPICE representation of the
modules is shown in Fig.5, in which the upper MOSFET
channel is modelled by an ideal switch with a series
resistance R

DS

. The full SPICE diode model is used for the

lower MOSFET integral body diode, however ideal diode
representations are sufficient for the devices in the
switching aid networks. The load is assumed to act as a
constant current sink over the switching interval.

Fig.5

From the SPICE simulation an estimate of the peak
transient current imbalance between the MOSFETs of the
two modules was obtained for various differences in the
inductors, capacitors and device turn-on times. It was found
that the transient current sharing was most sensitive to
unequal device switching times. An example of the results
obtained from a simulation of two paralleled modules using
BUK638-500B FREDFETs are shown in Fig.6. With good
gate drive design the difference between device switching
times is unlikely to exceed 50nS resulting in a peak transient
current mismatch of less than 10%. The load sharing would
improve if the value of inductor is increased but this has to
be traded off against the increase in switching loss. The
effect of the tolerance of the inductor values on the load
sharing is given for the same module in Fig.7, where it can
be seen that a reasonable tolerance of 10% results in only
a 7% imbalance in the currents. The load sharing was found
to be relatively insensitive to tolerances in the snubber
capacitor values.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0

20

40

60

80

100

NORMALISED RECOVERY CURRENT (IRR/IL)

POWER LOSS (W)

STANDARD

EQUIVALENT

MOSFET

BUK638-500B

MODULE

L

opt

=

2V

DD

Q

RR

I

L

2

(

6

)

C

= (

I

L

)

nF

(

7

)

276

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.6

277

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor

Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.7

278

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

A 300V, 10A pole module design using
BUK638-500B FREDFETs

The circuit diagram of a 300V, 10A pole module based on
BUK638-500B FREDFETs is given in Fig.8. The inductor
value was chosen using the criteria discussed in Section
2.

The conventional R-C snubber network has been replaced
by the active circuit shown in Fig.9 and involves the use of
a second, low rated BUK455-500B MOSFET which is made
to act as a capacitance by invoking the ‘Miller’ effect. The

active snubber is more efficient at low load currents
because it tends to maintain a constant (dV/dt) regardless
of the load, and thus the snubber loss is proportional to the
current, as opposed to the conventional circuit in which the
loss remains constant. In addition the active circuit is
compact and lends itself more readily to a hybrid assembly.
The major component costs are the secondary MOSFET
and a low voltage power diode and compare favourably
with those of the conventional high voltage capacitor and
high voltage diode.

Fig.8

279

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The gate drive circuits are given in Fig.10 and are based
upon the pulse transformer configuration described in
chapter 1.2.3. A PNP transistor has been added between
the gate and source to reduce the drive off-state
impedance, to improve the switching and prevent any Miller
effect in the main device.

Fig.9

FREDFET module performance

The typical voltage and current waveforms of the upper and
lower switching devices are shown in Figures 11 and 12 for
the case of a single pole module sourcing the rated current
of 10 Amps from a 300V DC link. Fig.12 illustrates how the
use of the series inductor and active snubber gives a
controlled recovery of the fast integral body diode of the
FREDFET.

Fig.10

5 A/div

50 V/div

200 ns/div

Fig.11  Top - turn-on of the lower diode

Bottom - turn-off of the MOSFET

The losses of an individual module switched at 20 kHz are
plotted in Fig.13 as a function of output current. They mainly
stem from conduction loss, the switching loss representing
only a third of the maximum loss. Because the switching
loss occurs mainly in the aid networks the main FREDFETs
can be used at close to their full rating. Similarly operation
at higher frequencies will not result in a substantial
reduction in efficiency, for example at 40 kHz, 10A operation
the losses are 95W.

280

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

5 A/div

50 V/div

200 ns/div

Fig.12  Top - turn-off of the lower diode

Bottom - turn-on of the MOSFET

Four modules were connected in parallel and mounted on
a common heatsink. The modules operated successfully at
300V with total loads in excess of 40A, four times their
individual rating. The common heatsink, which had a
thermal resistance to ambient of 0.33˚C/W was sufficient
to achieve the full 40A, 300V continuous rating of the
parallel units at 20 kHz. The current waveforms of the upper
FREDFETs in each module are overlaid in Fig.14, where it
can be seen that the load sharing is very even, particularly
after the initial switching transients.

Fig.13

5 A/div

µ

s/div

Fig.14  FREDFET current waveforms

281

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Conclusion

Parallel, separate MOSFET pole modules provide a
method of designing medium rated inverter poles, which
can be switched efficiently at frequencies in excess of 20
kHz. The approach is flexible since a single pole module
design can be used to achieve a range of inverter volt-amp
ratings by paralleling a sufficient number of units.

Through the use of small switching aid networks it is
possible to obtain excellent transient and steady-state
current sharing between the paralleled modules. The
current sharing remains good even if there are substantial
variations in component tolerances and the power device

switching times. The switching aid networks also reduce
the switching losses in the main devices and allows them
to be used to their full rating.

The presented design of a 300V, 10A module based on
BUK638-500B, FREDFETs has a full load loss of only 70W.
Four of these modules connected in parallel and mounted
on a 0.33˚C/W heatsink gave an inverter pole with a 300V,
40A continuous rating when switched at 20 kHz. Excellent
current sharing between these modules was observed and
as a result there would seem to be no technical reasons
why further modules could not be paralleled to achieve even
higher ratings.

282

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

DC Motor Control

283

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

3.2.1  Chopper circuits for DC motor control

DC motor drives are used for many speed and position
control systems where their excellent performance, ease
of control and high efficiency are desirable characteristics.
DC motor speed control can be achieved using switch mode
DC-DC chopper circuits. For both mains-fed and battery
supplied systems, power MOSFETs and FREDFETs are
the ideal switching devices for the converter stage. The
Philips range of PowerMOS devices includes devices
suitable for most DC-DC converters for motor control
applications. Additionally, due to the ease with which
MOSFETs and FREDFETs can be parallelled, Philips
PowerMOS devices can easily be used in chopper circuits
for both low power and high power DC motor drives for
vehicle, industrial or domestic applications.

Introduction to DC motor drives

In a DC motor, the static field flux is established using either
permanent magnets or a stator field winding. The armature
winding, on the rotor of a dc machine, carries the main motor
current. The armature winding is a series of coils, each
connected to segments of a commutator. In order that the
motor develops constant torque as the rotor moves,
successive armature coils must be connected to the
external dc circuit. This is achieved using a pair of stationary
brushes held in contact with the commutator.

The motor torque is produced by the interaction of the field
flux and the armature current and is given by:

(1)

The back emf developed across the armature conductors
increases with the motor speed:

(2)

Permanent magnet DC motors are limited in terms of power
capability and control capability. For field wound DC motors
the field current controls the flux and hence the motor torque
and speed constants. The field winding can be connected
in series with the armature winding, in shunt with it, or can
be separately excited. For the separately excited dc motor,
shown in Fig.1 the field flux is controlled and the motor can
be made to operate in two distinct modes: constant torque
operation up to the rated speed of the motor, and then
constant power operation above rated speed, as shown in
Fig.2. The steady state operation of the motor is described
by:

(3)

For normal motor operation E

a

and I

a

are positive and the

motor is operating in its ’first quadrant’. The motor is said
to be operating in its second quadrant, that is braking or
regenerating, by reducing V

a

below E

a

such that I

a

is

negative. These two quadrants are shown in Fig.3a). If the
polarity of the applied voltage is reversed then motoring
and regenerating operation can occur with the direction of
rotation reversed. Thus by controlling the armature voltage
and current polarities, full four-quadrant operation, as
shown in Fig.3b), can be achieved.

Fig.1. Separately excited DC motor

Fig.2. DC motor, operating characteristics

Va

Ra

La

Ea

Lf

Rf

If

Vf

Ia

T

e

α

I

a

Rated (base)

speed

Speed

Speed

Speed

Va
Ea

Ia

If

Torque

Flux,

CONSTANT

TORQUE

CONSTANT

POWER

E

a

α ω

m

V

a

=

E

a

+

R

a

.

I

a

285

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

      

a) Two quadrant operation

b) Four quadrant operation

Fig.3. Torque speed characteristics for DC motor

Converter topologies for DC motor drives

Single quadrant (step down) converter

For single quadrant operation the chopper circuit of Fig.4
can be used. The average voltage applied to the motor, and
hence its speed, is controlled by varying the duty cycle of
the switch, S. Fig.5 shows the switching waveforms for the
circuit. During the on time, t

on

, the supply voltage, V

dc

, is

applied to the motor and the armature current starts to
increase. Neglecting the on-state resistance of the switch
and the armature winding resistance the voltage across the
armature inductance is V

dc

-E

a

and so the rate of rise of

armature current is given by:

(4)

When the switch turns off the energy stored in the armature
inductance must be dissipated. The polarity of the voltage
across L

a

reverses, the diode D becomes forward biased

and the armature current continues to flow. Assuming that
the motor speed remains constant and neglecting the
forward voltage drop of the freewheeling diode the inductor
voltage is equal to -E

a

. The rate of fall of armature current

is given by:

(5)

Fig.4. Single quadrant chopper circuit

Fig.5. Single quadrant chopper, switching waveforms

If this switching sequence is repeated at some frequency,
then the motor voltage can be controlled by altering the
relative duration of the on period and off period. Variation
of the duty cycle of the switch (t

on

/T) to control the motor

voltage is referred to as Pulse Width Modulation (PWM)
control. As the average voltage across the inductor over a
period must be zero then:

(6)

The integral of inductor voltage for the interval t

on

corresponds to the shaded area 1 in Fig.5, whilst the integral
of inductor voltage for the t

off

interval corresponds to the

shaded area 2 in the Figure. These two areas must be equal
and so from equations 4 to 6 or Fig.5 the transfer function
of the controller is given by:

(7)

Ea

Ia

REGENERATING

Ea

Ia

MOTORING

Torque,
Current

Speed,
Voltage

Va

Ra

La

Ia

VLa

Ea

S

Vdc

D

Ea

Ia

REGENERATING

Ea

Ia

MOTORING

Torque,
Current

Speed,
Voltage

Ea

Ia

REGENERATING

Ea

Ia

MOTORING

Switch, S

ON

ON

ON

OFF

OFF

t

t

t

t

t

ton

toff

T

voltage, V a

current, I a

voltage, V

La

current, I

D

current, I

S

Vdc
E a

Vdc- Ea

-Ea

Imax

Imin

Ia

1

2

Motor

Motor

Inductor

Diode

Switch

0

T

v

L

.

dt

= ⌠

0

t

on

v

L

.

dt

+⌠

t

on

T

v

L

.

dt

=

0

dI

a

dt

=

V

dc

E

a

L

a

V

a

=

t

on

T

.

V

dc

dI

a

dt

= −

E

a

L

a

286

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Two quadrant, half-bridge converter

Figure 6 shows a half bridge circuit for two quadrant dc
drive. For motoring operation S1 and D2 operate as
described above for the single quadrant controller. The
freewheel diode D2 may be the internal diode of a MOSFET
or FREDFET, or a discrete device. For regenerative
operation the DC motor acts as the active power source
and the power flow is from right to left in Fig.6. The
regenerating current is controlled by varying the duty cycle
of S2. When S2 is on, the negative armature current
increases through the switch and the armature inductance.
When S2 is turned off D1 becomes forward biased and the
current regenerates into the supply. The relevant circuit
waveforms are shown in Fig.7, showing the equal areas of
the inductor volt-seconds over each period of the switching
cycle. During regeneration the transfer function of the
converter is given by:

(8)

Fig.6. Two quadrant half bridge chopper circuit

Fig.7. Two quadrant half bridge chopper, switching

waveforms

Four quadrant, full-bridge converter

If motoring and regenerating operation are required with
both directions of rotation then the full bridge converter of
Fig.8 is required. Using this configuration allows the polarity
of the applied voltage to be reversed, thus reversing the
direction of rotation of the motor. Thus in a full bridge
converter the motor current and voltage can be controlled
independently. The motor voltage Va is given by:

(9)

where V

12

is controlled by switching S1 and S2 as described

above, and V

34

by switching S3 and S4. The usual operating

mode for a full bridge converter is to group the switching
devices so that S1 and S3 are always on simultaneously
and that S2 and S4 are on simultaneously. This type of
control is then referred to as bipolar control.

Fig.8. Four quadrant full bridge circuit

MOSFETs and FREDFETs in bridge
circuits

In a bridge circuit, conduction transfers between the
switching devices and freewheeling diodes as the load
current is controlled (eg. switch S2 and diode D1 in Fig.4).
Associated with the transfer of conduction between the
freewheel diodes and the switching devices is the reverse
recovery of the diode as each conducting MOSFET returns
to its on-state. Reverse recovery current flows due to the
removal of stored charge from a diode PN junction following
conduction. Fig.9 shows the device current paths in a half
bridge circuit when conduction is transferred from the top
diode to the bottom MOSFET.

The switching waveforms are shown in Fig.10 where the
diode reverse recovery current is I

rr

and the time taken for

the reverse recovery currents to be cleared is t

rr

. The

amount of stored charge removed from the body of the
diode is represented by the area Q

rr

. The reverse recovery

current flows through the MOSFET which is being turned
on in addition to the load current and thus causes additional
turn-on losses. The amount of stored charge increases with
increasing temperature for a given diode. Both the

V

a

=

V

12

V

34

V

a

=

1

t

on

T

.

V

dc

Ra

La

Ia

VLa

S2

Vdc

S1

D1

D2

S3

S4

D4

D3

Ea

Va

Va

Ra

La

Ia

VLa

Ea

S2

Vdc

S1

D1

D2

Switch, S2

ON

ON

ON

OFF

OFF

t

t

t

t

t

ton

toff

T

voltage, Va

current, I a

voltage, VLa

current, I

D1

current, I

S2

Vdc
Ea

Vdc- Ea

-E a

Imax

Imin

Ia

1

2

Motor

Motor

Inductor

Diode

Switch

287

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

magnitude of the reverse recovery current and its duration
must be reduced in order to reduce the switching losses of
the system.

This effect is important because inherent in the structure of
a power MOSFET there is a diode between the source and
drain of the device which can act as a freewheeling diode
when forward biased. For most DC motor control
applications the reverse recovery characteristics of the
MOSFET intrinsic diode are acceptable and do not
compromise the switching performance of the half bridge
circuit. However, the characteristics of a MOSFET intrinsic
diode are not optimised for minimum reverse recovery and
so, especially in high frequency systems, the FREDFET is
more suitable for use in half bridge circuits.

Fig.9 Current paths in half bridge circuit.

Fig.10 Diode reverse recovery waveforms.

The FREDFET is essentially a MOSFET with a very fast
built-in diode where the reverse recovery properties of a
FREDFET diode are similar to those of a discrete fast
recovery epitaxial diode (FRED). This gives improved
switching performance in high frequency applications.

Considerations for converter driven DC
motors

Device current rating

The power electronic converter must be matched to the
requirements of the motor and the load. DC motor drives
can be used to provide torques in excess of the maximum
continuous rated torque of the motor for short intervals of
time. This is due to the long thermal time constants of the
motor. The peak torque requirement of the motor will
determine its peak current demand, and hence the peak
current requirement for the power switches. The current
rating of a PowerMOS device is limited by the maximum
junction temperature of the device, which should not be
exceeded even for short periods of time due to the short
thermal time constant of the devices. The devices must
therefore be rated for this peak current condition of the drive.
Operation at maximum current usually occurs during
acceleration and deceleration periods necessary to meet
the performance requirements of DC servo systems.

Device voltage rating

The voltage rating of the power switches will be determined
by the power supply DC link voltage and the motor emfs,
including those which occur when the motor is operating in
its constant power region at above rated speed but below
rated torque.

Motor performance

It can be seen from the waveforms of Figures 5 and 7 that
the armature current supplied to the motor by the switching
converter is not constant. The presence of ripple current in
addition to the normal DC current affects the performance
of the motor in the following ways:

Torque pulsations. Ripple in the motor current waveform
will cause a corresponding ripple in the motor output torque
waveform. These torque pulsations may give rise to speed
fluctuations unless they are damped out by the inertia of
the mechanical system. The torque pulsations occur at high
frequencies where they may lead to noise and vibration in
the motor laminations and mechanical system.

Losses. Winding losses in a DC motor are proportional to
i

RMS

2

, whereas the torque developed by the motor is

proportional to i

DC

. Ripple in the motor current will increase

the RMS current and thus give rise to additional losses and
reduce the system efficiency.

Overcurrents. If the ripple current is large then the peak
device current will be significantly higher than the design
DC value. The devices must then be rated for this higher
current. Current ripple will also increase the current which
must be handled by the motor brushes possibly increasing
arcing at the brush contacts.

V

dc

I L

I

rr

I L

I

L

MOSFET 
current

Diode
current

Output
voltage

I rr

t

rr

Time

Time

Time

IL+ I rr

V

dc

Q rr

288

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The amount of current ripple depends primarily upon the
switching frequency and amount of motor inductance (See
equations 4 and 5). Increasing L

a

and f

s

will both reduce the

amount of current ripple. The motor inductance is fixed by
the motor selection but can be increased by the addition of
a discrete component. Increasing the switching frequency
of the system will reduce the amount of current ripple but
will increase the switching losses in the power devices.

Using PowerMOS devices in DC drives

For many applications the motor control system is operated
at switching speeds in the range 1kHz to 20kHz.
PowerMOS devices are ideally suited for this type of
converter giving the following advantages:

Switching performance

Unlike bipolar devices the MOSFET is a majority carrier
device and so no minority carriers must be moved in and
out of the device as it turns on and off. This gives the fast
switching performance of MOSFET devices. However, at
higher switching speeds the switching losses of the system
become important and must be considered in addition to
the device on-state losses. The device conduction loss
depends on the MOSFET on-state resistance, RDS(ON),
which increases with the temperature of the device.
Switching times are essentially independent of device
temperature. PowerMOS devices have good overload
capability and Safe Operating ARea (SOAR) which makes
them easy to us in a chopper circuit, although the need for
snubber circuits will depend on the system operating and
performance requirements.

Fig.11. MOSFET capacitances and basic gate driver

Ease of use

PowerMOS devices are essentially voltage driven switches
and so the gate drive circuits required to switch the devices
are usually relatively simple low power circuits. It is only
during switching instants that the gate drive is that required
provide current in order to charge and discharge the device
capacitances (shown in Fig.11) and thus switch the device.
In order to switch the device quickly the gate driver must
be able to rapidly sink and source currents of up to 1A. For
the simplest gate drive circuit the MOSFET can be switched
using a resistive drive and some gate-source overvoltage
protection, as shown in Fig.11. Alternative MOSFET gate
drive circuits are discussed more fully elsewhere in this
handbook.

Parallelling of PowerMOS devices

It is usually straightforward to operate PowerMOS devices
in parallel to achieve higher system currents than can be
achieved using single devices. The problems of parallelling
PowerMOS are much less than those which occur when
using bipolar devices. MOSFETs and FREDFETs have a
positive temperature coefficient of R

DS(ON)

and so tend to

share the total load current equally. Any discrepancy in
device or circuit resistance which causes one device to be
carrying a higher proportion of the total current will cause
the losses in that device to increase. The device carrying
the increased current will then heat up, its resistance will
increase and so the current carried will be reduced. The
total load current will therefore be equally shared out
between all the parallelled MOSFETs. Current sharing
during dynamic (switching) instants is achieved by ensuring
good circuit design and layout.

Fig.12. Gate drive circuit for parallelled devices

Moving to a system using parallelled MOSFETs requires
only slight modifications to the gate drive circuit. One
consideration may be the capability of the drive circuit to
provide the currents required at the switching instants. It is
recommended that small differential resistors, as shown in
Fig.12, are used to damp out any oscillations which may
occur between the switching devices and the rest of the
circuit.

RGGF 47R

RGG’ 10R

RGG’ 10R

C DS

C GD

C

GS

D

S

G

R GG

V

GG

289

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.13. DC drive system - schematic arrangement

+

+

_

_

Voltage

Error

Amplifier

Speed

Command

SPEED FEEDBACK

CURRENT FEEDBACK

Current

Limit

Motor/

Regenerate

Amplifier

MOTORING

REGENERATING

Gate

drive

Isolation

and gate

drive

V

dc

Current

Command

Motor

Tacho

Controller

Circuit layout considerations

The effects of poor circuit design and layout are to increase
RFI and noise and to compromise the performance and
speed of the system due to stray inductances. The
precautions which must be taken to minimise the amount
of stray inductance in the circuit include:

• positioning the gate drive circuits as close as possible to

the power MOSFETs.

• reducing circuit board track lengths to a minimum and

using twisted pairs for all interconnections.

• for parallelled devices, keeping all connections short and

symmetrical.

DC motor control system

Figure 13 shows a schematic arrangement for a two
quadrant controller, showing the outer speed control loop
and the inner current control loop. The speed feedback
signal is derived from a tachogenerator (TGF), although
alternatively an approximation to the motor speed can be
derived by feeding back a signal proportional to the motor
voltage, (AVF). Position feedback can be included for servo
applications by using a position encoder on the motor shaft.
The speed feedback loop compares the tacho- output
voltage with a speed reference signal. The voltage error
signal gives the current reference command.

The current command signal is compared with the actual
motor current in the inner control loop. This control loop
includes a current limit setting which protects the motor and
the devices from overcurrents. If the controller demands a
large speed change then the current demand is maintained
below the maximum level by this current limit setting.
Motoring or regenerating operation is detected directly from
the polarity of the voltage error signal and used to determine
whether it is the top or bottom MOSFET which is controlling
the current. The motoring/regenerating logic circuit includes
some hysteresis to ensure that control does not oscillate
between the motoring and regenerating modes at low motor
currents.

There are several possible ways of controlling motor current
by controlling the switching sequences to the main
PowerMOS devices. In tolerance band control the motor
current is compared with the reference signal and an
allowed current ripple tolerance. During motoring operation
if the actual current is greater than the allowed maximum
value of the tolerance band then the output comparator
turns off the gate drive to the power MOSFET thus allowing
the motor current to fall. The current then freewheels until
it reaches the lower limit of the tolerance band, when the
comparator turns the MOSFET back on. Using this current
control strategy the effective switching frequency is
variable, depending on the rate at which the armature
current changes, but the peak to peak current ripple in the
system is constant. Alternatively the devices can be

290

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

switched a constant frequency using a PWM method
current control. Here the current error signal is compared
with a fixed frequency triangular wave and the comparator
output is then used to provide the signal for the main
switching devices. When the error signal is greater than the
triangular wave then the power device is switched on, when
the error signal is less than the triangular carrier then the
device is switched off.

Conclusions

DC motor controllers using PowerMOS devices can be
used in many speed control and servo applications giving
excellent

drive

performance.

The

advantages

of

PowerMOS devices include their simple gate drive

requirements, rugged performance and their ease of use
in parallel configurations. The intrinsic diode between the
drain and source of MOSFETs and FREDFETs can be used
as the freewheel diode in half bridge and full bridge circuit
configurations giving a cost effective, compact design with
the minimum of switching devices. PowerMOS choppers
can operate at much higher switching frequencies than
thyristor or power transistor controllers, giving reduced
current ripple, reduced noise and interference and good
dynamic

system

response.

Using

higher

switching

frequencies reduces the need for additional discrete
inductances in the motor circuit whilst still achieving low
ripple currents in separately excited, permanent magnet
and series connected field wound motors.

291

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

3.2.2  A switched-mode controller for DC motors

The purpose of this paper is to demonstrate the use of an
integrated switched-mode controller generally used for DC
power conversion as the primary control and element in a
practical Pulse Width Modulated (PWM) DC drive. Basic
principles relating to DC motor specifications and drive
frequency

are

presented.

The

PWM

method

of

switched-mode voltage control is discussed with reference
to armature current control, and hence output torque
control, of DC motors. A series of circuit configurations are
shown to illustrate velocity and position servo applications
using a switched mode driver IC. Philips Semiconductors
produce a wide range of control ICs for Switched Mode
Power Supply (SMPS) applications which can also be used
as controllers for PWM driven DC motors. This paper
demonstrates how one switched-mode controller, the
NE5560, can be used to give a velocity and position servo
systems using Philips power MOSFETs as the main power
switches. Additional application ideas using the NE5560
controller for constant speed and constant torque operation
are also presented.

Fig.1  DC motor, equivalent circuit

Principles of the PWM DC motor drive

Pulse width modulated drives may be used with a number
of DC motor types: wound field or permanent magnet. The
discussion here will be particularly concerned with
permanent magnet excited DC motors. This does not
impose a restriction on the applicability of switched mode
control for DC drives since permanent magnet motors are
available in a wide range of sizes, ratings and configurations
to suit many applications. The design of a pulse width
modulated drive is affected by the characteristics of the DC
motor load, and this will now be considered in more detail.

The permanent magnet DC motor may be represented by
the simplified equivalent circuit shown in Fig.1. L

a

represents the total armature inductance, R

a

is the

equivalent series resistance, and E

a

the armature back emf.

This induced emf represents that portion of the total input

energy which is converted to mechanical output. The
magnitude of the armature emf is proportional to motor
speed.

Motor inductance, which may vary from tens of

µ

H to mH,

will have a significant effect on PWM drive designs. This is
due to the fact that average motor current is a function of
the electrical time constant of the motor,

τ

a

, where.

τ

a

=L

a

/R

a

.

For a PWM waveform with a period T the ratio of pulse width
to switching period is denoted by

δ

. The average pulse

current will depend upon the ratio of the current pulse-width,

δ

T, to the motor electrical time constant,

τ

a

.

Fig.2  Instantaneous motor current waveforms

a) High inductance motor, 

τ

a

 = 5T

b) Low inductance motor, 

τ

a

 = T/2

Figure 2 shows the conditions for two different motors and
a fixed period PWM waveform. For the case when the motor
time constant is much greater than the pulse width, in
Fig.2(a) then the current cannot be established in the
inductive motor windings during the short duration of the
applied pulse. For a low inductance motor and the same
pulse width, Fig.2(b), the armature current is easily
established. In most instances a motor which has high
armature inductance will require a lower PWM drive
frequency in order to establish the required current levels,
and hence develop the necessary torque. A low inductance
motor allows the use of a high switching drive frequency
thus resulting in an overall faster system response.

In general, to achieve optimum efficiency in a PWM motor
drive at the highest practical frequency, the motor should
have an electrical time constant,

τ

a

, close to the duration of

the applied waveform T. (

τ

a

= kT where k is small). The

printed circuit motor is one of the lowest inductance DC
motors available since the armature is etched from a flat
disc-like material much like a double-sided printed circuit
board. Consequential these low inductance, low inertia

dT

T

Vdc

dT

T

Vdc

a)

b)

v

a

v

a

i a

i a

Va

Ra

La

Ea

Ia

293

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

motors also exhibit very fast response with quite high
torque. Electrical time constants in the order of 100

µ

s allow

these motors to be used with switching rates as high as
100kHz, with typical drive circuits being operated at 10kHz.

Thus an appropriate choice of switching frequency and
motor inductance ensures a high average motor current
during each switching pulse. Motor current control, and
hence torque control, is achieved by varying the width of
the applied pulsed waveforms. As the base, or carrier,
frequency is held constant then the pulse width relays
torque control information to the motor. Torque is
dependent on average motor current (equation 1) which, in
turn, is controlled by duty cycle.

(1)

Fig.3  Simplified PWM DC motor controller

PWM motor control

The PWM method of current control will be considered by
examining the conditions at motor start-up for a simple
arrangement, shown in Fig.3, where the duty cycle is
controlled using the DC control voltage, V

REF

. At start-up

the duty cycle is adjusted to be long enough to give sufficient
motor starting torque. At zero rotational velocity (

ω

=0) the

back emf, E

a

, is zero and so the full DC voltage appears

across the series R

a

/L

a

impedance. The initial motor current

is determined according to the equation:

(2)

If the duty cycle ratio, controlled using V

REF

, is given by

δ

,

then the duration of the ’ON’ pulse is simply given by

δ

T.

During this interval the rise of motor current prior to armature
rotation is shown by Equation 3.

(3)

The current in the motor windings rises exponentially at a
rate governed mainly by average supply voltage and motor
inductance. If the pulse width is close to the time constant
of the motor then the current at the end of the first pulse
will reach nearly 60% of its maximum value, I

max

= V

dc

/R

a

.

This is shown as I

1

in Fig.4. For the remainder of the PWM

cycle switch S1 is off and motor current decays through the
diode at a rate dependant upon the external circuit
constants and internal motor leakage currents, according
to the equation:

(4)

The motor current at the end of the period, T, remains at a
level I

2

, which is then the starting current for the next cycle,

as shown in Fig.4. As the switching sequence repeats,
sufficient current begins to flow to give an accelerating
torque and thus cause armature rotation. As soon as
rotation begins, back emf is generated which subtracts from
the supply voltage. The motor equation then becomes:

(5)

The current drawn from the supply will consequently be less
than that drawn at start-up due to the effect of the motor
back emf term, E

a

. For a given PWM duty cycle ratio,

δ

, the

motor reaches a quiescent speed governed by the load
torque and damping friction. Maximum motor torque is
required at start-up in order to accelerate the motor and
load inertias to the desired speed. The current required at
start-up is therefore also a maximum. At the end of the
starting ramp the controller duty cycle is reduced because
less current is then needed to maintain the motor speed at
its steady state value.

Fig.4  Motor current waveforms at start-up

i

a

=

I

1

.

e

−(

t

− δ

T)

a

T

e

=

K

T

I

a

Vdc

Motor

PWM

PULSE WIDTH

ADJUST

VREF

Load

Te

I

a

L

a

.

i

a

dt

+

R

a

.

i

a

=

V

dc

E

a

Vdc

va

ia

Imax

I1

I2

dT

T

t

t

L

a

.

i

a

dt

+

R

a

.

i

a

=

V

dc

i

a

=

V

dc

R

a

.

1

e

t

a

294

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.5  Motor current waveform, 

τ

a

 << T

For a low inductance motor where the electrical time
constant is much less than the duty cycle then the motor
current waveform will closely follow the applied voltage
waveform, as shown in Fig.5. An approximate expression
for the average motor current is given by:

(6)

In summary, the principle control variable in the PWM motor
control system is ’duty cycle’,

δ

. Motor torque and velocity

can be tightly controlled by controlling the PWM duty cycle
and motor current.

The switched mode controller

For the remaining portion of the paper integrated
switched-mode control will be considered with specific
reference to the NE/SE5560 controller IC. This device
incorporates control and protection functions for SMPS and
DC

motor

control

applications

including

internal

temperature compensation, internal reference voltages, a
sawtooth waveform generator, PWM amplifier and output
stage. Protection circuitry includes cycle-by-cycle current
limiting, soft start capability, overcurrent protection, voltage
protection and feedback loop protection circuits. In the
following sections some of the features of the controller will
be examined and its use in a number of motor drive designs
will be presented.

Current

Voltage

Vdc

Ea

Motor emf

t

I

ave

= δ.

(

V

dc

E

a

)

R

a

295

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.6  NE5560 Block diagram

Fig.7  Unipolar switched mode motor drive (SMMD) using the NE5560

296

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The device (see Fig.6) contains an internal voltage
reference which is connected to the non-inverting input of
the error amplifier. The feedback signal is obtained from
either a tachogenerator (TGF - tachogenerator feedback)
or from a signal proportional to the armature voltage less
the winding iR voltage drop (AVF - armature voltage
feedback). This feedback signal must be scaled to centre
about the internal voltage reference level. The error
amplifier output, in addition to being available for gain
adjustment and op amp compensation, is connected
internally to the pulse-width modulator. Frequency may be
fixed at any value from 50Hz to 100kHz and duty cycle

adjusted at any point from 0 to 98%. Automatic shut-down
of the output stage occurs at low supply threshold voltage.
The error amplifier has 60dB of open loop gain, is stable
for closed loop gains above 40dB and can also can be
compensated for unity gain. The single ended switching
output is from either the emitter or collector of the output
stage. The device has protective features such as high
speed overcurrent sense which works on a cycle-by-cycle
basis to limit duty cycle, plus an additional second level of
slow start shutdown. It is this input which can be adapted
to act as a motor torque limit detector.

a) Unipolar drive

b) Bipolar drive

Fig.8  Constant speed servo configurations

Vdc

Motor

Load

Te

Tacho

V

REF

+V

dc

Motor

Load

Te

Tacho

VREF

-Vdc

297

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.9  Basic unidirectional drive with dynamic braking

Open loop PWM control using the NE5560

For a given application the switched-mode controller
frequency should be set to allow the best dynamic response
considering the starting current requirement and motor
electrical time constant, as discussed previously. The main
drive transistors or MOSFETs must be capable of carrying
the peak motor current requirement which occurs at
start-up. Device protection using snubber networks and
transient suppression networks will depend on the choice
of switching device, system ratings and the application
requirements. Power MOSFETs provide an excellent
solution to many DC drive designs since very low drive
power is required and they are self-protected from reverse
transients by an internal intrinsic diode. PowerMOS devices
may be parallelled for added power handling capability.

Figure 7 shows a simple unipolar drive capable of driving
a low voltage motor supplied from an external DC voltage
and PWM controlled using the NE5560.

Constant velocity servo

Figure 8 shows in block form the general circuit used to
obtain a constant speed switched mode motor drive
(SMMD) servo. Figure 8(a) shows a unipolar drive using
DC tachometer feedback to the PWM error amplifier. Figure
8(b)

shows

a

bidirectional

drive

in

a

half-bridge

configuration. In this case the duty cycle controls the
direction of motor rotation in addition to the motor speed.
A 50% duty cycle corresponds to the standstill condition. If
the average duty cycle is greater than 50% (CW command)
then the motor accelerates clockwise, and vice-versa for
CCW rotation when the duty cycle is less than 50%. This
circuit configuration can be used for both velocity and
position servo-designs. The reversing switch allows the
tachogenerator output to match the polarity of the PWM
reference, which is always positive.

The unipolar drive circuit in Fig.9 uses the NE5560 to
develop a SMMD with constant speed control suitable for
a small DC motor. The switching device is a single Philips
BUK456-100A Power MOSFET capable of over 30 A, with
a voltage rating of 100V V

DS

and R

DS(ON)

=0.057

. The PWM

drive from the NE5560 is applied to the gate at a nominal
10kHz, although much higher frequencies are possible. The
peak gate to source voltage, V

GS

, is 15V to ensure minimum

R

DS(ON)

and hence minimum loss in the PowerMOS switch.

A sense resistor is placed in the source lead to monitor
motor drive current on a cycle-by-cycle basis. The value of
this resistor is set to develop the error amplifier threshold
voltage at the desired maximum current. The NE5560 then
automatically limits the duty cycle, should this threshold be
exceeded. This is therefore used as an auto torque limit
feature in addition to simply protecting the switching device.

298

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

A slow start network (Pins 2,5,6) gradually ramps up the
duty cycle at power on. Fixed braking duty cycle control is
achieved by forcing the input error amplifier during braking
conditions. The over-current circuit is still active during
braking.

SMMD Position servo with 

µ

P control

By coupling the switched mode motor drive in a bidirectional
configuration as shown in Fig.10, and then sensing linear
position with a potentiometer or LVDT connected to a lead
screw, for instance, the position feedback loop can be
closed to give a position servo. The input to control position
of the mechanical stage may be fed as a DC offset to a
summing amplifier whose output is fed to Pin 5 of the
NE5560, as shown. Forward lead-lag compensation may
be combined with the summing amplifier function to achieve
a stable response. A velocity loop may be closed through

the error amplifier at Pin 3. The controller may easily be
interfaced to a microprocessor by means of a unipolar D/A
converter working in the 1 to 6V output range as an input
to Pin 5.

Conclusions

The switched-mode motor drive, SMMD, using small, easily
available, monolithic integrated control devices designed
for switched-mode power applications may easily be
adapted to perform a number of useful and efficient torque,
velocity and position control operations. The ready
availability of good controller ICs, easily compatible with the
Philips range of switching power devices in both bipolar and
PowerMOS technologies makes such designs even more
effective and easily attainable by the control systems
designer.

Fig.10  Microprocessor control of PWM drive with four quadrant control

S2

S1

D1

D2

S3

S4

D4

D3

POSITION

VELOCITY

ERROR

D/A

 P

DIRECTION

LOGIC

NE5560

V

dc

0V

MOTOR

299

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

3.2.3  Brushless DC Motor Systems

In recent years the number of drive systems available to
designers has increased considerably. The advent and
increasing use of stepper motors, inverter-fed ac machines,
switched reluctance motors and brushless machines have
all addressed particular applications and in some cases
these application areas overlap. The correct choice of a
drive system for a particular application depends not only
upon the speed and torque requirements but also on
performance, response, complexity and cost constraints.
The brushless DC motor (BDCM) system is emerging as
one of the most useful drive options for a wide range of
applications ranging from small, low power fans and disc
drives, through medium size domestic appliance motors
and up to larger industrial and aviational robotic and servo
drives.

This section will review the theory and operation of
brushless DC

motors

and

describe

some

of

the

considerations to be made when designing BDCM drive
systems using PowerMOS devices as the main inverter
switches.

Background

The principal advantage of a conventional DC machine
compared to an AC machine is the ease with which a DC
motor can be controlled to give variable speed operation,
including direction reversal and regenerative braking
capability. The main disadvantage of a DC machine is that
the carbon brushes of a DC motor generate dust and also
require maintenance and eventual replacement. The RFI
generated by the brushgear of a DC motor can be quite
large and, in certain environments, the sparks themselves
can be unwelcome or hazardous. The brushless DC motor
was developed

to achieve the performance

of a

conventional DC machine without the problems associated
with its brushes.

The principal advantages of the BDCM system are:

• Long life and high reliability
• High efficiency
• Operation at high speeds and over a wide speed range
• Peak torque capability from standstill up to high speeds
• Simple rugged rotor construction
• Operation in vacuum or in explosive or hazardous

environments

• Elimination of RFI due to brush commutation

DC motor configurations

In a conventional DC motor the field energy is provided by
either a permanent magnet or a field winding. Both of these
arrangements involve quite large, bulky arrangements for
the field. In the case of wound field DC motors this is due

to large number of turns needed to generate the required
electromagnetic field in the airgap of the machine. In the
case of permanent magnet DC machines the low energy
density of traditional permanent magnet materials means
that large magnets are required in order to give reasonable
airgap fluxes and avoid demagnetisation. If either of these
two options are used with the field excitation on the rotor
of the machine then the inertia and weight of the rotor make
the machine impractical in terms of its size and dynamic
response.

A conventional DC machine has a large number of armature
coils on the rotor. Each coil is connected to one segment
of a commutator ring. The brushes, mounted on the stator,
connect successive commutator segments, and hence
armature coils, to the external DC circuit as the motor moves
forward. This is necessary to maintain maximum motor
torque at all times. The brush/commutator assembly is, in
effect, a rotating mechanical changeover switch which
controls the direction and flow of current into the armature
windings.

In a BDCM the switching of current to the armature coils is
carried out statically and electronically rather than
mechanically. The power switches are arranged in an
inverter

bridge

configuration

in

order

to

achieve

bidirectional current flow in the armature coils, i.e. two
power switches per coil. It is not possible to have a large
number of armature coils, as is the case for a conventional
DC motor because this would require a large number of
switching devices and hence be difficult to control and
expensive. An acceptable compromise is to have only three
armature coils and hence six power switches. Reducing the
number of armature coils means that the motor is more
prone to developing ripple torque in addition to the required
DC torque. This problem can be eliminated by good design
of the motor. The armature of a three coil brushless DC
machine in fact looks similar to the stator of a three phase
AC machine and the term ’phase’ is more commonly used
to describe these three separate coils.

The development of brushless DC machines has made
possible by developments in two other technologies:
namely those of permanent magnet materials and power
semiconductor switches.

Permanent magnet materials
Traditional permanent magnet materials, such as AlNiCo
magnets and ferrite magnets, are limited either by their low
remanence giving rise to a low airgap flux density in
electrical

machines,

or

by

their

susceptibility

to

demagnetisation in the presence of high electric fields.
However in recent years several new permanent magnet
materials have been developed which have much higher

301

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

a) Conventional DC motor

b) Brushless DC motor

Fig.1 DC motor configurations

Stator core

Field magnet

Armature
coils

I

a

Rotor

Commutator

Brush

Stator core

winding

Field
magnet

Rotor

A

B

C

Phase

I

I

I

remanent flux densities, and hence airgap flux densities,
and

high

coercivities,

making

them

resistant

to

demagnetisation under normal operating conditions.
Amongst these materials, called ’rare earth’ magnets,
Samarium Cobalt (SmCo

5

and Sm

2

Co

17

) and Neodymium-

-Iron-Boron (Nd-Fe-B) are the most common. These
materials, although still quite expensive, give vastly
superior performance as the field excitation for a brushless
machine.

Due to the increased energy density of rare earth magnets
the amount of magnet material required by the application
is greatly reduced. The magnet volume using rare earths
is small enough that it is feasible to have the permanent
magnet field on the rotor of the machine instead of on the
stator. The gives a low inertia, high torque motor capable
of high performance operation. This resulting motor design,
with the armature on the stator and the field on the rotor
and shown in Fig.1, can be considered as a conventional
DC motor turned ’inside out.’

Power electronic switches
For the ’inside out’ BDCM is it still necessary to switch the
armature current into successive armature coils as the rotor
advances. As the coils are now on the stator of the machine
the need for a commutator and brushgear assembly has
disappeared. The development of high voltage and high
current power switches, initially thyristors, bipolar power
transistors and Darlingtons, but more recently MOSFETs,
FREDFETs, SensorFETs and IGBTs, has meant that
motors

of

quite

large

powers

can

be

controlled

electronically, giving a feasible BDCM system. The
question of appropriate device selection for brushless DC
drives will be considered later.

System description (Fig.2)

DC power supply
The fixed DC voltage is derived from either a battery supply,
low voltage power supply or from a rectified mains input.
The input voltage may be 12V or 24V as used in many
automotive applications, 12V-48V for applications such as
disc drives or tape drives, or 150V-550V for single-phase
or three-phase mains-fed applications such as domestic
appliances or industrial servo drives or machine tools.

Inverter
The inverter bridge is the main power conversion stage and
it is the switching sequence of the power devices which
controls the direction, speed and torque delivered by the
motor. The power switches can be either bipolar devices
or, more commonly, PowerMOS devices. Mixed device
inverters, for example systems using pnp Darlingtons as
the high side power switches and MOSFETs as the low side
switches, are also possible. The freewheel diodes in each
inverter leg may be internal to the main power switches as
in the case of FREDFETs or may be separate discrete
devices in the case of standard MOSFETs or IGBTs.
Detailed considerations of inverter design, gate drive
design and layout have been considered in separate
articles.

The inverter switching speed may be in the range 3kHz to
20kHz and above. For many applications operation at
ultrasonic switching speeds (>15-20kHz) is required in
order to reduce system noise and vibration, reduce the
amplitude of the switching frequency currents and to
eliminate switching harmonic pulsations in the motor.
Because of the high switching speed capability of
PowerMOS devices they are often the most suitable device
for BDCM inverters.

302

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.2  BDCM system

S2

S1

D1

D2

S4

S3

D3

D4

S6

S5

D5

D6

DC Power

Supply

Controller

Current set

Speed set

N
S

Hall

Effect

devices

Gate drives

Motor

i c

i

b

i a

Inverter

The first choice for the inverter devices might appear to be
one with an N-channel MOSFET for the bottom device in
each inverter leg and a P-channel device in the top half of
each leg. The disadvantage of P-channel devices is that
they require around three times more silicon area than
equivalent N-channel MOSFETs to achieve the same value
of R

DS(ON)

. This makes P-channel devices uncompetitively

expensive

for

many

applications.

However,

using

N-channel devices for both the top and bottom switches in
an inverter leg means that some sort of floating drive is
required for the upper device. Transformer coupled or
optically coupled gate driver stages are required, or
alternatively, circuits such as the bootstrap circuit shown in
Fig.3 can be used to provide the drive for the top device.

In the circuit of Fig.3 the bootstrap capacitor is charged up
via the diode D every time the bottom MOSFET is on. When
this device turns off the capacitor remains charged up to
the gate supply voltage as D is now reverse biassed. When
a turn-on pulse is applied for the upper MOSFET the
bootstrap capacitor provides the necessary gate source
voltage to turn the device on.

Motor
A two pole BDCM with the field magnets mounted on the
surface of the rotor and with a conventional stator assembly
was shown in Fig.1. Machines having higher numbers of
poles are often used depending upon the application
requirements for motor size, rotor speed and inverter
frequency. Alternative motor designs, such as disc motors
or interior magnet rotor machines, are also used for some
applications. The motor phases are usually connected in a
star configuration as shown in Fig.2. Rotor position sensors
are required in order to control the switching sequence of
the inverter devices. The usual arrangement has three Hall
effect sensors, separated by either 60˚ or 120˚, mounted
on the stator surface close to the airgap of the machine. As

the rotor advances the switching signals from these Hall
Effect latches are decoded into rotor position information
in order to determine the inverter firing pattern.

In order to minimise torque ripple the emf induced in each
motor phase winding must be constant during all instants
in time when that phase is conducting current. Any variation
in a motor phase emf whilst it is energised results in a
corresponding variation in the torque developed by that
phase. The so-called ’trapezoidal emf’ motor, shown in
Fig.4, has a constant induced emf for 120˚ and so is a
practical motor design which gives optimum performance
in a BDCM system.

Controller
The inverter is controlled in order to limit the device currents,
and hence control the motor torque, and to set the direction
and speed of rotation of the motor. The average ouput
torque is determined by the average current in each phase
when energised. As the motor current is equal to the DC
link current (Fig.2) then the output torque is proportional to
the DC input current, as in a conventional DC motor. The
motor speed is synchronous with the applied voltage
waveforms and so is controlled by setting the frequency of
the inverter switching sequence.

Rotor position feedback signal are derived from the Hall
effect devices as discussed earlier or from opto-
transducers with a slotted disc arrangement mounted on
the rotor shaft. It is also possible to sense rotor position by
monitoring the emfs in the motor phase windings but this
is somewhat more complex. In some applications the Hall
effect sensor outputs can be used to provide a signal which
is proportional to the motor speed. This signal can be used
in a closed loop controller if required.

303

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.3  Bootstrap driver circuit for upper device in

inverter bridge leg

Fig.4  Trapezoidal emf motor

Fig.5  Motor waveforms for BDCM system

The controller also requires a current feedback signal.
Usually this is taken from the DC link of the inverter as
shown in the Fig.2. The current is controlled using either
PWM techniques or hysteresis type of control. A current
reference command is compared with the current feedback
signal and then used to determine the switching signal to
the main power devices. Additional controller functions
include undervoltage protection, thermal protection and
current ripple limit controls, error amplifier inputs for
incorporation in closed loop servos and microprocessor
compatible inputs.

Several IC manufacturers offer dedicated ICs providing all
the functions for PWM control of brushless DC motors. The
Philips version of the NE5570 CMOS controller is one such
device which can be used for three phase BDCM systems
using a serial data input command from a microprocessor
controller. This device contains the PWM comparator and
oscillator, dynamic current loop controller and output
pre-drivers suitable for a MOSFET power stage. Its
operation is described more fully in Philips Application Note
AN1281.

Brushless DC motor operation

The operation of a BDCM system can be explained with
reference to Fig.5. At any instant in time the rotor position
is known by the output states of the three airgap mounted
Hall effect devices. The output state of one Hall effect device
switches for every 60˚ of rotation, thus defining six
conduction zones as shown in the figure. The switching of
the inverter devices is arranged to give symmetrical 120˚
intervals of positive and negative constant current in each
motor phase winding. The position of the sensors and
controller logic ensures that the applied currents are in
phase with the motor emfs in order to give maximum motor
torque at all times.

Referring to Figures 2 and 5, during the first 60˚ conduction
zone switches S1 and S4 are on and the current flows
through the ’A’ and ’B’ phase windings. The ’C’ phase is
inactive during this interval. At the end of this 60˚ conduction
zone one of the Hall effect devices changes state and so
switch S4 turns off and S6 turns on. The switching sequence
continues as the motor advances. At any instant in time two
motor phases are energised and one motor phase is off.
The motor phase current waveforms are described as being
’quasi-square’ in shape. The motor windings are energised
for two thirds of the total time and the maximum switch duty
cycle ratio is one third.

The other function of the controller is to maintain the motor
phase currents at their desired constant value for each 120˚
interval that a particular phase is energised. The precise
method of current limiting depends upon the controller
algorithm. In order to limit the current to its desired value
either one or both of the conducting devices are switched
off thus allowing the motor current to freewheel through the

S2

S1

D1

D2

D

C

V

out

15V

V

dc

0V

60

120

180

240

300

360

e

A

e

B

e

C

(wt)

(wt)

(wt)

S1
S4

S1
S6

S3
S6

S3
S2

S5
S2

S5
S4

O

60

120

180

240

300

360

i

A

i

B

i

C

Sensor
outputs

Phase
currents

Active

Devices

304

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

bridge leg diodes. The current is limited by controlling the
switch duty cycle to ensure that device current ratings and
the motor current rating are not exceeded, especially during
start-up conditions or low speed operation. The amount of
current ripple is controlled by the switching frequency of a
PWM waveform or by the width of a hysteresis band.

Power Semiconductor switches for
Brushless DC motors

Philips Semiconductors produce a range of power
semiconductor devices suitable for use in BDCM systems.
The include transistors, MOSFETs, FREDFETs, Logic
Level MOSFETs (L

2

FETs) and IGBTs. These devices are

available in a variety of current and voltage ratings and a
range of packages, to suit individual applications.

FREDFETs
For higher voltage applications the FREDFET is an
appropriate device for the inverter switches in a brushless
DC drive. The FREDFET is a PowerMOS device where the
characteristics of the MOSFET intrinsic diode have been
upgraded to those of a discrete fast recovery diode. Thus
the FREDFET is ideally suited to bridge circuits such as
that shown in Fig.2 where the recovery properties of the
bridge diodes significantly affect the switching performance
of the circuit. Fig.6 shows a conventional MOSFET inverter
bridge circuit, where the MOSFETs intrinsic diode is
disabled by a series Schottky diode. A discrete antiparallel
FRED carries the motor freewheeling current. Using the
FREDFET reduces the component count and circuit layout
complexity considerably.

MOSFET inverter leg             FREDFET inverter leg

Fig.6  MOSFET and FREDFET half bridge legs

L

2

FETs

For many lower voltage applications logic level FETs
(L

2

FETs) can be used to interface the power circuit with

standard TTL or CMOS drive circuits without the need for
level shifting stages. L

2

FETs require gate source voltage

of only 5V to be fully turned on and typically have V

GS(th)

=

1-2V. Using Philips L

2

FETs in BDCM applications such as

tape or disc drives where the MOSFETs are driven directly
by a controller IC produces an efficient overall design with
the minimum of gate drive components.

IGBTs
IGBTs are especially suited to higher power applications
where the conduction losses of a MOSFET begin to become
prohibitive. The IGBT is a power transistor which uses a
combination of both bipolar and MOS technologies to give
a device which has low on-state losses and is easy to drive.
The IGBT is finding applications in mains-fed domestic and
industrial drive markets. By careful design of the device
characteristics the switching losses of an IGBT can be
minimised without adversely affecting the conduction
losses of the device too severely. Operation of BDCM
inverters is possible at switching speeds of up to 20kHz
using IGBTs.

Device selection

The first selection criterion for an inverter device is the
voltage rating. Philips PowerMOS devices have excellent
avalanche ruggedness capability and so are able to survive
transient overvoltages which may occur in the inverter
circuit. This gives the circuit designer the freedom to choose
appropriately rated devices for the application without
suffering from the extra device conduction losses which
occur when using higher voltage grade devices. In noisy
environments or where sustained overvoltages occur then
some external protection circuitry will usually be required.

For low voltage and automotive applications 60V devices
may be adequate. For mains-fed applications then the DC
link voltage is fixed by the external mains supply. A 240V
supply will, depending on the DC link filtering arrangement,
give a link voltage of around 330V. Using 450V or 500V
MOSFETs will allow sufficient margin for transient
overvoltages to be well within the device capability.

The current rating of a device is determined by the worst
case conditions that the device will experience. These will
occur during start-up, overload or stall conditions and
should be limited by the BDCM controller. Short circuit
protection must be provided by using appropriate fusing or
overcurrent trip circuitry.

In addition to the normal motor currents the inverter devices
will experience additional currents due to diode reverse
recovery effects. The magnitude of these overcurrents will
depend on the properties of the freewheel diodes and on
the switching rates used in the circuit. Turn-on overcurrents
can often be greater than twice the normal load current.
The peak to average current capability of MOSFETs is very
good (typically 3 to 4) and so they are able to carry
overcurrents for short periods of time without damage. For
high power applications PowerMOS devices can easily be

Vdc

Vdc

V

out

V

out

305

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

parallelled to give the required current ratings providing the
circuit is suitably arranged in order to ensure good current
sharing under both dynamic and static conditions.

Conclusions

The brushless DC motor has already become an important
drive configuration for many applications across a wide
range of powers and speeds. The ease of control and

excellent performance of the brushless DC motors will
ensure that the number of applications using them will
continue to grow for the foreseeable future. The Philips
range of PowerMOS devices which includes MOSFETs,
FREDFETs, L

2

FETs and IGBTs are particularly suited for

use in inverter circuits for motor controllers due to their low
loss characteristics, excellent switching performance and
ruggedness.

306

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Stepper Motor Control

307

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

3.3.1  Stepper Motor Control

A

stepper

motor

converts

digital

information

into

proportional

mechanical

movement;

it

is

an

electro-mechanical device whose spindle rotates in
discrete steps when operated from a source that provides
programmed current reversals. After the appearance of the
stepper motor in applications traditionally employing digital
control, the advantages of precise and rapid positioning of
objects using stepper motor drive systems became more
obvious and this, in turn, led to a greater variety of
applications. These now include:

paper and magnetic tape drives,

camera iris control and film transport,

co-ordinate plotters, printers, chart recorders and
variable speed chart drives,

medical equipment,

fuel control, valve control and variable speed pumps,

meters, card readers, production line pulse counters

automatic weighing and labelling systems,

digital to analogue converters and remote position
indicating equipment.

All of these applications have one thing in common -
controlled motion. Wherever controlled movement and/or
positioning is necessary, the stepper motor can be used to
give a fast, flexible and accurate system.

From a mechanical viewpoint, the stepper motor has simple
positional control, reliability and precision. Previously,
simple, mechanically operated switches often provided
adequate control for many positioning systems but
increased performance requirements have forced the need
for a better drive systems. The advantages of stepper motor
systems have been gained at the expense of controller
simplicity. The combination of fast controller ICs, low cost,
high

power,

high

efficiency

switches,

particularly

MOSFETs, and the ease of use of stepper motors has lead
to their current widespread use.

The full benefit of a stepper motor can only be realised if it
is correctly driven. It requires a dc supply, an electronic
switch and a source of control pulses (digital information).
The appropriate dc supply is directed into the motor via a
power electronic switching network. In effect, the motor
moves through one step for each control pulse applied to
the power stage electronic switches. The angle of the step
depends upon the type of motor and can be from as little
as 1.8˚ to as much as 15˚. Consequently, if 24 pulses are
fed to the switching network, the shaft of a motor with a 15˚
step-angle will complete one revolution. The time taken for
this action is entirely a function of the rate at which control
pulses are applied. These may be generated by an
oscillator with adjustable frequency or from a dedicated
controller IC.

Principles of operation

Stepper motors can be divided into three principle types:

• permanent magnet stepper motors
• variable reluctance stepper motors
• hybrid stepper motors.

a)

b)

Fig.1  Unipolar 4-phase motor

Permanent magnet stepper motors

The step angle of a permanent magnet stepper motor
depends upon the relationship between the number of
magnetic poles on its stator assembly and the number of
magnetic poles on its rotor. Since the latter is a cylindrical
permanent magnet, the poles are fixed, and their number
is limited, due to the characteristics of the magnetic
material. Enlarging the magnet diameter to provide for a
larger number of rotor poles results in a drastic increase in
the rotor inertia. This reduces the starting capabilities of
such a motor beyond practical use. With a permanent
magnet rotor, only relatively large step angles can be
obtained. However, the operating step angle can be
reduced by using more than one stator stack along the
length of the machine and then by offsetting the separate
stacks.

P

Q

R

S

S1

S2

+

N

S

N

S

N

S

S3

S4

R

P

Q

S

S1

S2

+

S

N

N

S

N

S

S3

S4

309

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.2  Unipolar 4-phase system

a) Circuit layout,     b) Switching waveforms

The stator assembly comprises two or more stators, each
having a coil through which current is passed to form a
magnetic field. By reversing the direction of current flowing
in a coil the north and south poles developed by the coils
can be transposed. Reversing the current flow through
successive stator coils creates a rotating magnetic field
which the permanent-magnet rotor follows. Speed of
rotation is thus governed by the rate at which the stator coils
(and hence the electromagnetic poles) are switched and
the direction of rotation by the actual switching sequence.

There are two methods by which the current flow through
stator coils can be reversed and this has led to two classes
of stepper motor: those designed for unipolar drive and
those for bipolar drive. For ease of description, illustrations
in this section which give a diagrammatic representation of
a permanent magnet stepper motor show only a 2-pole rotor
although it could have as many as 24: the operating
principles, however, are the same.

Motors for Unipolar drive

Each stator coil of a motor designed for unipolar drive is
provided with a centre-tap which is connected to one side
of the supply. The direction of current flowing through a coil
is then determined by the end to which the other supply line
is connected via a switching device. Switching between the
coil halves results in the magnetic poles of the relevant
stator being reversed.

Figure 1(a) shows a 4-phase stepper motor in which phases
P and R are energised. The north poles at P and R cause
the rotor to align in the position indicated. If switch S1 is
turned off and S3 turned on, so that phases Q and R are
now energised, then the stator field is repositioned and so
the conditions illustrated in Fig.1(b) are obtained, ie. the
rotor has moved through 90˚ to align with the stator field.

From this it can be seen that by altering the switching
sequence for switches S1, S2, S3 and S4 the rotor can be
made to advance in either direction.

Figure 2(a) shows the drive configuration for a unipolar
4-phase motor. The switching sequence of the power
switches is shown in Fig.2(b). Two motor phases are
energised at any one time thus giving the rotation of the
stator field and required stepping motion.

a)

b)

Fig.3  Bipolar 4-phase motor

Motors for Bipolar drive

The stator coils of a motor designed for bipolar drive have
no centre-tap. Instead of using alternate coil-halves to
produce a reversal of current-flow through the stator
windings, the current is now reversed through the entire coil
by switching both supply lines. Operation of a motor with
bipolar drive is identical to that of one with unipolar drive,
and is shown in Fig.3. Here, when the polarity of current in
phase P is reversed using switches S1 to S4 the stator field
realigns and the rotor moves accordingly. Figure 4(a)
shows the drive configuration for a bipolar 4-phase motor.
The devices are always switched as pairs, i.e. S1 and S4,
S2 and S3. The switching waveforms for this configuration
are shown in Fig.4(b).

The advantages of using motors with bipolar drive are
shown in Fig.5. This compares the performance of a
unipolar motor with its bipolar equivalent. Unipolar motors

P

Q

R

S

S1

S3

S2

S4

S1

S2

S3

S4

Rotor

position

a)

b)

+

N

S

S

N

S

N

P

Q

S2

S1

S3

S4

S5

S6

S8

S7

+

S

N

S

N

P

Q

N

S

S2

S1

S3

S4

S5

S6

S8

S7

310

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.4  Bipolar 4-phase system

a) Circuit layout,        b) Switching waveforms

develop less torque at low stepping rates than their bipolar
counter-parts, although at higher stepping rates the torque
developed by both types of motor is nearly the same.

The 4-phase unipolar motor shown in Fig.1 has two coils
per phase which must be wound on one bobbin for each
stator (bifilar winding), ie. four coils in total. Because the
two coils occupy the same space as a single coil in
equivalent bipolar types, the wire is thinner and coil
resistance higher. Bipolar motors have only one coil per

bobbin so that 2-stator motors have two coils and 4-stator
motors four coils. Unipolar motors require only a simple
drive circuit - only four power transistors instead of eight.
Moreover, the switching time requirements are less severe
for unipolar drives. For a bipolar drive, care must be taken
with switching times to ensure that two opposing transistors
are not switched on at the same time, thus shorting out the
supply. Properly operated, bipolar windings give optimum
motor performance at low to medium stepping rates.

Variable reluctance stepper motors

In a variable reluctance stepper motor the motion is
achieved by using the force of attraction between a
magnetised component (the stator pole excited by a
controlled current) and a passive steel component (the rotor
pole). As successive stator poles are energised different
rotor poles are attracted towards the nearest active pole,
thus giving the required stepping motion. Figure 6 shows
the simplest variable reluctance motor configuration having
six stator poles and four rotor poles. The rotor is simply a
shaped steel shaft. The stator winding is arranged so that
one stator phase winding is on each stator pole.

Figure 6(a) shows the condition when the ’A’ phase of the
motor is energised and rotor pole 1 is aligned with the
energised winding. If stator phase ’A’ is switched off and
phase ’B’ is switched on then rotor pole 2 (which is the
nearest rotor pole to any ’B’ phase pole) experiences an
attractive force due to the energised ’B’ phase. The rotor
advances to the position shown in Fig.6(b).

S3

S2, S3

S6, S7

S1, S4

S5, S8

Rotor

position

S1

S4

S2

S7

S5

S8

S6

a)

b)

P

Q

Fig.5  Torque vs. stepping rate characteristic

A) Unipolar motor     B) Bipolar motor

311

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

If, subsequentally, phase ’C’ is energised then rotor pole 1
will align with the ’C’ phase, as shown in Fig.6(c). The step
angle of a variable reluctance motor can be reduced by
having more than one set of offset rotor poles which are
built up along the stack length of the machine. Different
offset rotor poles align with the stator poles at each step
position.

Fig.6  Variable reluctance motor

Hybrid stepper motors

The usual configuration for a hybrid stepper motor operates
using the torque production methods found in both
permanent magnet and variable reluctance motors. This
gives a higher performance system with a low volume, and
hence a low rotor inertia, and small step angles. The rotor
of a hybrid stepper motor consists of an axially aligned
magnet and a pair of toothed discs, one at each end of the
rotor stack. The general layout is shown in Fig.7. The teeth
of the discs are misaligned with respect to each other with
the result that as the stator phase windings are energised
different teeth align with the stator poles, in a similar way
to those in a variable reluctance motor. The addition of the
permanent magnet on the rotor introduces a polarity in the
way that the rotor teeth align with the stator poles. Again
multi-stack motors are used to reduce the step length
further. Alternative hybrid stepper motor configurations
have the magnets on the stator, but operate in a broadly
similar manner.

 

Fig.7  Hybrid stepper motor, cross sectional view

Stepper motor systems

Proper selection of the right stepper motor for a specific
application calls for a thorough understanding of the
characteristics of the motor and its drive circuitry. Figure 8

shows schematically the four constituent parts of a stepper
motor system together with the most important aspects of
each. These will be briefly considered below.

 

Fig.8  Stepper motor system block diagram

The stepper motor

Typical standard step motor angles are shown below:

Step angle

Steps per revolution

0.9˚

400

1.8˚

200

3.6˚

100

3.75˚

96

7.5˚

48

15.0˚

24

The no load step angle accuracy is specified for each type
of motor For example, a motor having a step angle of 7.5˚
and will typically position to within 20’ (i.e. 5%) whether the
motor is made to move for 1 step or 1000 steps. The step
angle error is non-cumulative and averages to zero every
four steps, i.e. 360˚. Every four steps the rotor returns to
the same position with respect to magnetic polarity and flux
paths. For this reason, when very accurate positioning is
required, it is advisable to divide the required movement
into multiples of four steps. This is known as the 4-step
mode of operation.

Torque
Three torques are used to define stepper motor operation:

Holding torque
At standstill, when energised, a certain amount of torque
is required to deflect a motor by one step. This is known
as the holding torque. When a torque is applied that
exceeds the holding torque the motor will rotate
continuously. The holding torque is normally higher than
the working torque and acts as a strong brake in holding
a load in position.

Detent torque

CONTROL

LOGIC

D.C. SUPPLY

POWER DRIVER

STEPPER

MOTOR

- Oscillator
- Half step
- Full step
- Ramping

- Battery
- Transformer, rectifier

- Unipolar
- Bipolar
- Chopper

- Step length
- Step length accuracy
- Holding torque
- Detent torque
- Dynamic torque

A

A’

1

2

3

4

B’

B

1

2

3

4

C

C’

a)

b)

c)

A phase energised

B phase energised

C phase energised

Rotation

1

2

3

4

Case

Windings

Stator

Shaft

Rotor disc

Magnet

Airgap

N

N

S

S

312

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Due to their permanent magnets, hybrid stepper motors
and permanent magnet stepper motors have a braking
torque even when the stator windings are unenergised.
This is referred to as the detent torque.

Working (dynamic) torque
The dynamic characteristics of a stepper motor are
described by the curves of torque versus stepping rate.
Typical curves were shown in Fig.5. The pull-in curve
shows the load a motor can start and stop without losing
steps when operated at a constant stepping rate. The
pull-out curve shows the torque available when the motor
is gradually accelerated to and decelerated from its
required working speed. The area between the two
curves is known as the slew range. The characteristic
curves are used to define the correct motor selection for
any particular application.

Overshoot
After executing each single step the rotor tends to overshoot
and oscillate about its final position as shown in Fig.9(a).
This is normal behaviour for any pulsed dynamic system.
The actual response depends on the load and on the power
input provided by the drive. The response can be modified
by increasing the frictional load or by adding mechanical
damping. However, mechanical dampers such as friction
discs or fluid flywheels add to system cost and complexity
and so it is usually better to damp electronically.

Fig.9  Dynamic step response

a) Single step undamped response

b) Electronically damped response

Two methods of electronic damping are commonly used -
the simplest being to delay the final pulse in an incremental
pulse train such that the effective length of the final step is
reduced. Alternatively, every pulse, or just the final pulse
in a train, can be modified into three stages, as shown in
Fig.9(b). Using this method of damping a forward pulse is
applied at time t

0

, a reverse pulse is applied at t

1

in order

to slow the rotor down and then finally a second forward
pulse is applied at t

2

which ensures the rotor comes to rest

at the desired position. The accelerating torque which is
developed from this final pulse is less than that for a full
step and so the shaft overshoot is significantly reduced.

Multiple stepping
There are often several alternatives available in order to
make a desired incremental movement. For example, a
rotation of 90˚ can be reached in 6 steps of a 15˚ motor, 12
steps of 7.5˚ motor or in 50 steps of a 1.8˚ motor. Generally,
a movement executed in a large number of small steps will
result in less overshoot, be stiffer and more accurate than
one executed in smaller number of large steps. Also there
is more opportunity to control the velocity by starting slowly,
accelerating to full speed and then decelerating to a
standstill with minimum oscillation about the final position
if small step lengths are used.

Fig.10  Controlled acceleration and deceleration profiles

A voltage controlled oscillator and charging capacitor are
usually used for acceleration (or ramp) control of the motor.
The RC time constant of the ramp controller is used to give
different ramp rates. Figure 10 shows a typical curve of step
rate against time for an incremental movement with equal
acceleration and deceleration times.

Resonance
A stepper motor operated at no-load over its entire
operating frequency range will exhibit resonance points that
are either audible or can be detected by vibration sensors.
If any are objectionable then these drive frequencies should
be avoided, a softer drive used, or alternatively extra inertia
or external damping added.

Drive methods

The normal drive method is the 4-step sequence mentioned
above. However, other methods can be used depending
on the coil configuration and the logic pattern in which the
coils are switched:

Wave drive
Energising only one winding at a time is called wave
excitation and produces the same position increment as the
4-step sequence. Figure 11 shows the stepping sequence
for the bipolar 4-phase motor, which was discussed earlier
and shown in Fig.4. Since only one winding is energised,

time

Stepping

rate

Max stepping

rate

t

acc

t

run

t

dec

Final
position

Final
position

time

time

a)

b)

t0

t1 t2

313

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

holding torque and working torque are reduced by 30%.
This can, within limits, be compensated by increasing
supply voltage. The advantage of this form of drive is higher
efficiency, but at the cost of reduced step accuracy.

Half-step mode
It is also possible to step a motor in a half-step sequence,
thus producing half steps, for example 3.75˚ steps from a
7.5˚ motor. A possible drawback for some applications is
that the holding torque is alternately strong and weak on
successive motor steps. This is because on ’full’ steps only
one phase winding is energised whilst on the ’half’ steps
two stator windings are energised. Also, because current
and flux paths differ on alternate steps, accuracy will be
worse than when full stepping. The switching sequence for
a 4-phase bipolar drive is shown in Fig.12.

Fig.11  Wave drive switching for 4-phase bipolar

stepper motor

Fig.12  Half stepping switching for 4-phase bipolar

stepper motor

Supply considerations

When a motor is operated at a fixed rated voltage its torque
output decreases as step rate rises. This is because the
increasing back EMF and the rise time of the coil current
limits the power actually delivered to the motor. The effect
is governed by the motor time constant (L/R). Because of
their higher winding resistance unipolar motors have a
better L/R ratio than their bipolar equivalents. The effect
can be compensated by either increasing the power supply
voltage to maintain constant current as stepping rate
increases, or by increasing supply voltage by a fixed
amount and adding series resistors to the circuit.

Adding series resistors to the drive circuit can improve the
motor performance at high stepping rates by reducing the
L/R ratio. Adding a series resistor three times the winding
resistance would give a modified ratio of L/4R. Supply
voltage would then have to be increased to four times the
motor rated voltage to maintain rated current. The addition
of the extra resistance greatly reduces the drive efficiency.
If the increased power consumption is objectionable some
other drive method such as a bi-level voltage supply or a
chopper supply should be used.

Bi-level drive
With a bi-level drive the motor is operated below rated
voltage at zero step rate (holding) and above rated voltage
when stepping. It is most efficient for fixed stepping rates.
The high voltage may be turned on by current sensing
resistors or, as in the circuit of Fig.13, by means of the
inductively generated turn-off current spikes. At zero step
rate the windings are energised from the low voltage. As
the windings are switched in the 4-step sequence, diodes
D1, D2, D3 and D4 turn on the high voltage supply
transistors S1 and S2.

Fig.13  Unipolar bi-level drive

Chopper drive
A chopper drive maintains current at an average level by
switching the supply on until an upper current level is
reached and then switching it off until a lower level is
reached. A chopper drive is best suited to fast acceleration
and variable frequency applications. It is more efficient than
an analogue constant current regulated supply. In the
chopper circuit shown in Fig.14, V+ would be typically 5 to
10 times the motor rated voltage.

Spike suppression

When windings are turned-off, high voltage spikes are
induced which could damage the drive circuit if not
suppressed. They are usually suppressed by a diode
across each winding. A disadvantage is that torque output

S2, S3

S6, S7

S1, S4

S5, S8

Rotor

position

S2, S3

S6, S7

S1, S4

S5, S8

Rotor

position

314

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Motor Control

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

is reduced unless the voltage across the transistors is
allowed to build up to about twice the supply voltage. The
higher this voltage the faster the induced fields and currents
collapse and performance is, therefore, better. For this
reason a zener diode or series resistor is usually added as
in Fig.15.

Fig.14  Unipolar chopper drive

Fig.15  Voltage suppression circuit

Performance limitations

At standstill or low step rates, increasing the supply voltage
produces proportionally higher torque until the motor
magnetically saturates.

Near saturation the motor

becomes less efficient so that increased power in
unjustifiable. The maximum speed of a stepper motor is
limited by inductance and eddy current losses. At a certain
step rate the heating effect of these losses limits any further
attempt to get more speed or torque out of a motor by driving
it harder.

Terminology

Detent Torque: The maximum torque that can be applied
to the spindle of an unexcited motor without causing
continuous rotation.

Unit: Nm.

Deviation: The change in spindle position from the unloaded
holding position when a certain torque is applied to the
spindle of an excited motor.

Unit: degrees.

Holding Torque: The maximum steady torque that can be
externally applied to the spindle of an excited motor without
causing continuous rotation.

Unit: Nm.

Maximum Pull-In Rate (Speed): The maximum switching
rate (speed) at which an unloaded motor can start without
losing steps.

Unit: steps/s (revs/min).

Maximum Pull Out Rate (Speed): The maximum switching
rate (speed) which the unloaded motor can follow without
losing steps.

Unit: steps/s (revs/min).

Maximum Working Torque: The maximum torque that can
be obtained from the motor:

Unit: Nm.

Overshoot: The maximum amplitude of the oscillation
around the final holding position of the rotor after cessation
of the switching pulses

Unit:

 

degrees.

Permanent Overshoot: The number of steps the rotor
moves after cessation of the applied switching pulses.

Unit: steps.

Phase: Each winding connected across the supply voltage.

Pull In Rate (Speed): The maximum switching rate (speed)
at which a frictionally loaded motor can start without losing
steps.

Unit: steps/s (revs/min).

Pull In Torque: The maximum switching rate (speed) which
a frictionally loaded motor can follow without losing steps.

Unit: steps/s (revs/min).

Pull Out Torque: The maximum torque that can be applied
to a motor spindle when running at the pull out rate.

Unit: Nm.

Start Range: The range of switching rates within which a
motor can start without losing steps.

Step Angle: The nominal angle that the motor spindle must
turn through between adjacent steps.

Unit: degrees.

Stepping Rate: The number of step positions passed by a
fixed point on the rotor per second.

Unit: steps/s.

Slew Range: The range of switching rates within which a
motor can run unidirectionally and follow the switching rate
(within a certain maximum acceleration) without losing
steps, but cannot start, stop or reverse.

315

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

CHAPTER 4

Televisions and Monitors

4.1  Power Devices in TV Applications
(including selection guides)

4.2  Deflection Circuit Examples

4.3  SMPS Circuit Examples

4.4  Monitor Deflection and SMPS Example

317

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Power Devices in TV & Monitor Applications

(including selection guides)

319

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

4.1.1  An Introduction to Horizontal Deflection

Introduction

This section starts with the operation of the power
semiconductors in a simple deflection test circuit leading to
a functional explanation of a typical TV horizontal deflection
circuit. The operation of the common correction circuits are
discussed and the secondary function of the horizontal
deflection circuit described.

Deflection Test Circuit

The horizontal deflection test circuit used to assess Philips
deflection transistors is shown in Fig. 1 below.

Lc

represents the horizontal deflection coils.

Fig. 1.  Test Circuit for Deflection Transistors

This circuit is a simplification of a practical horizontal
deflection circuit. It can be used to produce the voltage and
current waveforms seen by both the transistor and the diode
in a real horizontal deflection circuit. It is, therefore, very
useful as a test circuit for switching times and power
dissipation. The waveforms produced by the test circuit are
shown in Fig. 2.

Fig. 2.  Test Circuit Waveforms

Cycle of Operation

Briefly going through one cycle of operation, the sequence
of events is as follows. (This can be followed through on
the waveforms shown in detail in Fig. 3, by starting on the
left and following the stages numbered 1 to 8).

1. Turn on the deflection transistor by applying a positive
current drive to the base. The voltage on the collector is
now approximately 0.5V because the device is fully on. This
means that the voltage across the coil, Lc, is the full line
voltage; in this case 150V.

2. According to the law, V = L • dI/dt, the current in the coil
Lc will now start to rise with a gradient given by 150V/Lc.
This portion of the coil current (ILc), is the sawtooth portion
of the collector current in the transistor (Ic).

3. Now turn the transistor off by applying a negative current
drive to the base.

Following the storage time of the

transistor, the collector current (Ic) will drop to zero.

4. The current in Lc (ILc) is still flowing! This current,
typically 4.5A for testing the BU2508A, cannot flow through
the transistor any more, nor can it flow through the reverse
biased diode, BY228. It, therefore, flows into the flyback
capacitor, Cfb, and so the capacitor voltage rises as ILc
falls. Because Cfb is connected across the transistor, the
rise in capacitor voltage is seen as a rise in Vce across the
transistor.

Lc will transfer all its energy to Cfb. The capacitor voltage
reaches its peak value, typically 1200V, at the point where
ILc crosses zero.

5. Now we have a situation where there is zero energy in
Lc but there is a very large voltage across it. So ILc will
rise, and since this current is supplied by Cfb, the voltage
across Cfb falls. This is, of course, a resonant LC circuit
and essentially it is energy which is flowing, first from the
inductor, Lc, to the capacitor, Cfb, and then from the
capacitor, Cfb, to the inductor, Lc. Note that the current in
Lc is now flowing in the opposite direction to what it was
previously. It is, therefore, a negative current.

6. This resonance would continue, with the coil current and
the capacitor voltage following sinusoidal paths, were it not
for the diode, BY228. When the capacitor voltage starts to
go negative the diode becomes forward biased and
effectively clamps the capacitor voltage to approximately
-1.5V, the diode VF drop. This also clamps the voltage
across Lc to approximately the same value as it was when
the transistor was conducting, ie the line voltage (150V).
Note that the coil current is now being conducted by the
diode, and hence ILc = Idiode.

IBon

-VBB

LB

Lc

HVT

Cfb

BY228

+150V nominal

adjust for Icm

Ib

Ib

Ic

Ic

Ic

Ic

ILc

ILc

Tscan

Tfb

Idiode

Vce

Vce

ILc=Idiode

Idiode

Tfb

ILc=Ic

321

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

7. So we have again a current ramp in Lc with a dI/dt equal
to 150/Lc. This current starts with a value equal to the value
it had at the end of the transistor on time (neglecting circuit
losses). It is, however, flowing in the opposite (negative)
direction and so the positive dI/dt will bring it back towards
zero.

8.

Before ILc actually reaches zero, the base drive is

re-applied to the transistor. This means that when ILc does
reach zero, we arrive back at the same conditions we had
at the beginning of stage 1; ie the transistor is on, the current
in Lc is zero and the voltage across Lc is the line voltage
(150V).

TV Operating Principle

In a television set, or a computer monitor, the picture
information is written onto the screen one line at a time.
Each of these horizontal lines of picture information is
written onto the screen by scanning the screen from left to
right with an electron beam. This electron beam is produced
by a gun situated at the back of the tube, and it is accelerated
towards the screen by a high potential (typically 25kV). The
beam is deflected from left to right magnetically, by varying
the current in a set of horizontal deflection coils positioned
between the gun and the screen.

The screen is phosphor coated, and when the high energy
electron beam strikes the phosphor coating the phosphor
gives off visible light. The density of electrons in the electron
beam can be varied: phosphor brightness depends on
beam density, and so the instantaneous brightness of the
scanning spot can be varied at a fast rate as each line of
picture information is written onto the screen. A set of
vertical deflection coils deflect the beam vertically at the
end of each horizontal scan and so lines of picture
information can be built up, one after the other. The vertical
deflection frequency (or

field rate) for European sets is

50 Hz (alternate line scanning, giving 25 complete screens
of information per second).

With no current in the horizontal deflection coils, the
magnetic field between them is zero and so the electron
beam hits the centre of the screen. With a negative current
in the coils , the resultant magnetic field deflects the electron
beam to the left side of the screen. With a positive coil
current the deflection is to the right.

Now consider the characteristic deflection waveforms,
Fig. 3.

The current ILc represents the current in the

horizontal deflection coils. During the period where the
current in the deflection coils is ramping linearly from its
peak negative value to its peak positive value, the electron
beam is scanning the screen from left to right. This is the
scan time, Tscan.

Fig. 3.  Test Circuit Waveforms

Ib

Ib

Ic

Ic

Ic

Ic

ILc

ILc

Tscan

Tfb

Idiode

Vce

Vce

ILc=Idiode

Idiode

Tfb

1

2

3

4

5

6

7

8

ILc=Ic

322

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

During the period where the horizontal deflection coil
current flows into the flyback capacitor, and then back into
the coil (the half cosine curve at the end of the scan period),
the electron beam is rapidly moving from the right side of
the screen to the left. This is called the flyback period, Tfb,
and no information is written onto the screen during this
part of the cycle.

S-Correction

The actual TV horizontal deflection circuit differs from the
test circuit in a number of ways that improve the picture
quality. The simplified deflection circuit shown in Fig. 1 can
be redrawn as shown in Fig. 4 where Lc is the horizontal
deflection yoke and Cs is charged to the line voltage (150V).

Fig. 4.  Simplified TV Deflection Circuit

The advantage of this arrangement is that, by carefully
selecting the value of Cs, one form of picture distortion is
corrected for as follows.

The front of the TV tube is flat, rather than curved, and so
during each horizontal scan the electron beam travels a
greater distance to the edges of the screen than it does to
the middle. A linear deflection coil current would tend to
over deflect the beam as it travelled towards the edges of
the screen. This would result in a set of ’equidistant’ lines
appearing on the screen as shown in Fig. 5 below.

Fig. 5.  Distortion Caused By Flat Screens

The voltage on the capacitor, Cs, will be modulated by the
deflection coil current, ILc. When the diode is in forward
conduction and the current in Lc is ’negative’, the voltage
on Cs will rise as Cs becomes more charged. When the
transistor is conducting and the current in Lc is ’positive’,
the voltage on Cs will drop as Cs discharges. This is shown
in Fig. 6 below.

Fig. 6.  S-Correction

This will give an ‘S’ shape to the current ramp in the
deflection coils which corrects for the path difference
between the centre and the edge of a flat screen tube.
Hence the value of the capacitor, Cs, is quite critical. Cs
is known as the S-correction capacitor.

Linearity Correction

Fig. 7.  Asymmetric Picture Distortion

Caused by Coil Resistance

The voltage across the deflection coil is also modulated by
the voltage drop across the series resistance of the coil.
This parasitic resistance (RLc) causes an asymmetric
picture distortion. A set of ‘equidistant’ vertical lines would
appear on the screen as shown in Fig. 7. The voltage
across the coils is falling as the beam scans the screen

VCs

ILc

150V

ILc

ILc=0

Lc

Cfb

Cs

+

150V

323

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

from left to right. The beam, therefore, travels more slowly
towards the right side of the screen and the lines are drawn
closer together, see Fig. 8.

Fig. 8.  Effect of Coil Resistance on Voltage Across Coil

VRLc is the voltage drop across the resistive component
of Lc. Subtracting this from the voltage across Cs (VCs)
gives the voltage across the inductive component on the
deflection coils (VLc). To compensate for the voltage drop
across the parasitic coil resistance we need a component
with a negative resistance to place in series with the coil.
This negative resistance effect is mimicked by using a
saturable inductance, Lsat, in series with the deflection coils
as shown in Fig. 9 below.

Fig. 9.  Position of Saturable Inductor in Circuit

For an inductor with a low saturation current, the
relationship between inductance and current is as shown
in Fig. 10. As the current is increased much above zero,
the core saturates and so the inductance drops.

This

happens if the current is conducted in either direction.

Fig. 10.  L/I Characteristic of a Saturable Inductance

By taking a saturable inductance and premagnetising the
core, we add a dc bias to this characteristic as shown in
Fig. 11 below.

Fig. 11.  DC Shift Produced by Premagnetised Core

Since Lsat has a much lower inductance than Lc, the dI/dt
through Lsat is governed by the deflection coils, and is
therefore dILc/dt. The voltage drop across Lsat is therefore
given by V = Lsat•dILc/dt. During the scan time, Tscan,
dILc/dt is approximately constant in value, and so the
voltage/current characteristics of Lsat during the scan time
are as shown in Fig. 12 below.

This is the characteristic required and so the voltage
developed across Lsat, the linearity correction coil,
compensates for the series resistance of the deflection
coils.

VCs

ILc

150V

0V

VRLc

VLc

ILc

ILc=0

150V

L

Icoil

I=0

L

Icoil

I=0

Cfb

+

Vcc (150V)

Lsat

Lc

Cs

324

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 12.  V/I Characteristic of Lsat During Tscan

Cs Losses

So the circuit shown in Fig. 9 now gives the desired
deflection waveforms. The electron beam scans the screen
at a uniform rate on each horizontal scan. However, the
circuit is not lossless and unless Cs is kept topped up the
dc voltage on Cs, Vcc, will gradually decay. To prevent this
from happening a voltage supply can be added across Cs
but this introduces other problems.

Fig. 13.  Deflection Circuit with Voltage Supply Added

The average voltage across Lc

must be zero. A dc voltage

across Lc would generate a dc current which would produce
a picture shift to the right. Applying Vcc directly to Cs would
result in a dc current component through the deflection
coils, so Cs must be charged to Vcc by some other way.
Applying Vcc to Cs via the deflection coils overcomes this
problem.

A large choke inductance, Lp, in series with the Vcc supply
is necessary to prevent an enormous increase in the current
through the power switch. Without it the Vcc supply would
be shorted out every time the transistor was turned on.
Typically the arrangement shown in Fig. 13 will result in a
20% increase in the current through the power switch and
the power diode.

East-West Correction

So to recap on the circuit so far: the series resistance of
the deflection coils is compensated for by the linearity
correction coil, Lsat, and the varying length of the electron
beam path, as the beam scans the screen from left to right,

is compensated for by the S-correction capacitor, Cs. This
capacitor modulates the voltage across the deflection coils
during each horizontal scan, modulating the magnetic field
ramp between them, and thus keeping the speed at which
the electron beam scans the screen constant.

However, as the picture information is written onto the
screen, by writing one line of information after another, a
further variation in the length of the beam path is introduced
as the beam scans the screen from top to bottom. The
length of the beam path to the edge of the screen is shorter
when the central lines of picture information are being
written than it is when the lines at the top or the bottom of
the screen are being written.

This means that a higher peak magnetic field is required to
deflect the beam to the screen edges when the beam is
writing the central lines of picture information, than that
required to deflect the beam to the screen edges when the
lines of picture information at the top and bottom of the
screen are being written.

Fig. 14.  Modulation of the Peak Deflection Coil Current

This requires increasing the peak deflection coil current
gradually over the first half of each vertical scan, and then
reducing it gradually over the later half of each vertical scan
(see Fig. 14). This is done by modulating the voltage across
the deflection coils. This process is known as east-west
correction.

The line voltage, Vcc, is supplied by a winding on the SMPS
transformer. This voltage is regulated by the SMPS and
during the operation of the TV set it is constant.

In order to achieve the required modulation of the voltage
across the deflection coils, a simple linear regulator could
be added in series with Lp.

One disadvantage of this

solution is that it increases the circuit losses.

The Line Output Transformer (LOT)

The horizontal deflection transistor serves another purpose
as well as deflecting the beam: driving the line output
transformer (LOT). The LOT has a number of low voltage
outputs but its primary function is to generate the EHT
voltages to accelerate and focus the electron beam.

V

I

I=0

Centre

Bottom

+4.5A
+3.5A

-4.5A

-3.5A

etc

Top
of screen

1 vertical

scan

2nd vertical

scan

deflection coil
current is
modulated

Cfb

+

Vcc (150V)

Lsat

Vcc

(150V)

Lp (typ 5mH)

(typ 12nF)

Lc (typ 1mH)

Cs

(typ 500nF)

325

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fortunately, this function can be combined with a feature
previously described as a cure for Cs losses; the inductive
choke, Lp. The LOT has a large primary inductance that
serves the purpose of Lp so a separate choke is not
required, see Fig. 15 below.

Fig. 15.  Position of Line Output Transformer

A lot of power may be drawn from the LOT but the deflection
must not be affected.

In order to keep the secondary

windings of the LOT at fixed voltages, we need to keep the
voltage across the primary winding fixed. Therefore, the
requirements for the LOT and a regulated supply to Lp are
in conflict.

‘Real’ and ‘Dummy’ Deflection Circuits

As a way around this problem, consider a ‘dummy’
deflection circuit in series with the ‘real’ deflection circuit.
This enables one circuit to meet the requirements for
deflection, including east-west correction, and the dummy
circuit meets the requirements for the LOT, see Fig. 16.

Fig. 16.  Position of Dummy Deflection Circuit.

The

two

deflection

circuits

operate

in

direct

synchronisation. Vmod is a voltage between zero and 30V
that controls the east-west correction. Thus we can vary
the voltage across the deflection coils in the ‘real’ deflection
circuit without varying the voltage across the primary of the
LOT in the ‘dummy’ circuit.

Fig 17.  Vmod Applied Directly to Cmod

For proper flyback tuning, the ‘real’ and ‘dummy’ deflection
circuits and the LOT must be tuned to the same flyback
frequency. The two deflection circuits are tuned through
careful selection of the flyback capacitors. In the case of
the LOT the capacitance of the windings provides the
necessary capacitance (typically 2nF) for correct tuning.

Since Lmod is only an inductor and not a real deflection
component, a net dc current through it is not a problem.
Therefore, we can apply Vmod directly to Cmod and this
way reduce the component count by removing Lpmod, see
Fig. 17.

Lmod is a quarter of the value of Lc. Cfbmod is four times
as big as Cfb. Cmod is not critical as long as it is large
enough to supply the required energy.

Suppose there is no voltage supplied externally to Cmod.
The supply voltage, Vcc, will split according to the ratio of
the impedances of the two circuits. In fact, the Vcc will split
according to the ratio of the two flyback capacitors, Cfb and
Cfbmod, as shown in Fig. 18.

The average voltage across Cfbmod will automatically be
30V (for Vcc = 150V), if no external voltages are applied to
the ‘dummy’ circuit.

Consequently, Cmod will become

charged to 30V. The two deflection circuits are always
operating in direct synchronisation. Under the condition
where Vmod is 30V the currents in the two circuits would
also be equal.

Lc

Cfb

Cs

+

Vcc (150V)

Lsat

Vcc

(150V)

E.H.T.

Line output
transformer

Lc

Cfb

Cs

+

Vcc-Vmod

Lsat

Vcc

E.H.T.

Line output

transformer

Lmod

Cmod

Cfbmod

+

Vmod

Lc

Cfb

Cs

+

Vcc-Vmod

Lsat

Vcc

E.H.T.

Line output

transformer

Lmod

Cmod

Cfbmod

Vmod

+

Vmod

Lpmod

326

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 18.  Average Voltage Across the two

Flyback Capacitors.

The range of Vmod required is 0 to 30V. Vmod is reduced
below 30V as current is drawn from Cmod. An external
supply to Cmod is never needed. This is the arrangement
used in practice.

To draw current from Cmod a series linear regulator is
added across Cmod as shown in Fig. 19.

Fig. 19.  Series Regulator Controlling Vmod

Diode Modulator Circuit

The circuit is now quite close to an actual TV horizontal
deflection circuit. As the two transistors are switching in
perfect synchronisation this circuit can be simplified further
by removing one transistor, as shown in Fig. 20.

This

arrangement makes no difference to the operation of the
circuit.

The circuit in Fig. 20 now shows all the features of the
horizontal deflection diode modulator circuit.

These

features should be distinguishable when studying actual
circuit diagrams.

Fig. 20.  The diode modulator circuit

Diode Modulator: Upper Diode

First consider the voltage requirements. In this respect, the
worst case conditions for the upper diode are when
Vmod = 0V. Under these conditions the upper diode must
support the full flyback voltage. Therefore, the peak voltage
limiting value on the upper diode must match the V

CES

limit

of the transistor.

Now consider the current requirements. With no circuit
losses, the currents in the diode and the transistor are as
shown in Fig. 21 where Ic is the transistor current and Idiode
is the diode current. Of this current, 80% flows in the
deflection coils and 20% flows in the LOT primary.

Fig. 21.  With no load, Ic and Idiode are equal.

With circuit losses included, the transistor current will
exceed the diode current.

Circuit losses add a dc

component to the waveform shown in Fig. 21. The loading
on the LOT contributes a further dc component, increasing
the transistor current and reducing the diode current still
further, Fig. 22.

+Vcc

Cfb

Cfbmod (= 4*Cfb)

Vmod

4*Vmod

Lc

Cfb

Cs

+

Vcc-Vmod = 120-150V

Lsat

Vcc

E.H.T.

Line output

transformer

Lmod

Cmod

Cfbmod

+

Vmod = 0-30V

Series
regulator

(150V)

Lc

Cfb

Cs

+

Vcc-Vmod = 120-150V

Lsat

Vcc

E.H.T.

Line output

transformer

Lmod

Cmod

Cfbmod

+

Vmod = 0-30V

Series
regulator

Ic

Ic

Idiode

Idiode

Idiode

Ic

327

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 22.  With load and circuit losses, Ic > Idiode.

For example, for a current which is 12A peak to peak, 10A
of this will be deflection current and 2A will be LOT current.
With no load, the peak diode current would be equal to the
peak transistor current, ie both would equal 6A. However,
the LOT requires 1A dc in order to power the secondary
windings. This makes the peak diode current 5A and the
peak transistor current 7A. These are practical values for
a 32 kHz black line S (ie EHT = 30kV) TV set.

The diode must conduct the full current immediately after
the flyback period. Until the

forward recovery voltage of the

diode has been reached the diode cannot conduct. A high
forward recovery voltage device would impede the start of
the scan. If once the forward recovery voltage has been
reached the device takes a long time before falling to its V

F

level then the voltage across the deflection coils would be
non-linear and, therefore, cause picture distortion. For a
32 kHz set the diode must recover to less than 5V in under
0.5

µ

s.

Diode Modulator: Lower Diode

First consider the voltage requirements. At one extreme,
all the flyback voltage is across the top diode and at the
other extreme, the worst case condition for the lower diode
is when the flyback voltage is split between the two diodes
in the ratio 4:1 (ie when Vmod is at its maximum value of
30V). The voltage limiting value on the lower diode is,
therefore, usually given as one quarter of the rating of the
top diode. So, if the transistor is 1500V, the top diode is
also 1500V and the bottom diode is 400V.

However, it is not uncommon for fault conditions to occur
in TV circuits that cause large voltage spikes on the lower
diode. To accommodate such occurrences, a 600V device
is often used as the lower diode.

Now consider the current requirements. The lower diode
must take the same current as the horizontal deflection coil,
Fig. 23, and so its current requirement is the same as that
of the top diode.

Fig. 23.  Situation when Vmod = 0V

As shown in Fig. 23, the lower diode is conducting its peak
current immediately before the flyback period and switches
off as the transistor. Therefore, the

reverse recovery of the

lower diode must be very fast to minimise circuit losses.

Diode Modulator Circuit Example

Putting the above diode requirements into the circuit of
Fig. 20 enable a typical 16 kHz TV horizontal deflection
circuit to be constructed, see Fig. 24.

This circuit is

representative of a modern 25" TV design. The deflection
transistor, BU2508A, will run with a peak I

C

of 4.5A at

16 kHz. The combined inductance and capacitance will
produce a flyback pulse of typically 1200V peak and 13

µ

s

width. The upper diode, BY228, has the same current and
voltage capability as the deflection transistor. The lower
diode, BYW95C, has the same current capability but a
reduced voltage rating. More often than not, 600V devices
are used as the lower diode with 1500V upper diodes.

The dc supply comes from the TV SMPS circuit. The SMPS
will use a power switch also, typically BUT11AF in 16 kHz
TV. A transformer will provide all the high power dc supplies
required for the TV. For a 150V supply a high voltage diode
will be used in the output stage, typically BY229-600. The
LOT generates the EHT to accelerate the electron beam,
typically a voltage of 25kV is produced.

In smaller TV’s (14-21") this circuit could be much simplified.
For smaller screen sizes EW correction is not essential and
the diode modulator is not usually present. The circuit now
uses a single diode and capacitor.

The diode can be

incorporated in the deflection transistor, for example, the
BU2508D. Also for the smaller screen sizes it is common
that the tube technology allows for lower flyback voltages.
In these applications the 1000V BUT11A and BUT12A are
often used.

In larger 16 kHz TV’s (28" and above) and all 32 kHz TV’s
the axial diodes will not normally be capable in terms of
current handling. These diodes are replaced by devices in
TO220 type power outlines: BY359 for the upper diode and

Ic

Idiode

Idiode

Ic

No losses

With
losses

Lc

Cfb

Cs

Lsat

ON

328

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

BY229-600 or BYV29-500 for the lower diode. Also larger
deflection

transistors

are

available:

BU2520A

and

BU2525A.

The same sort of scaling is also applicable to monitor
deflection circuits. All monitors tend to use 1500V deflection
transistors and upper diodes. The BU2508D (ie with diode)
is often used so that the BY228 can be used as the upper

diode. Using a D-type deflection transistor takes some
current from the diode modulator but does not affect the
operating principle. For the high frequency (up to 82 kHz),
multi-sync monitors BU2522A and BU2527A deflection
transistors are used. Above 64 kHz the BY459 is used as
an upper diode.

Fig. 24.  The Diode Modulator for 16 kHz TV Deflection, Example

Linearity

E.H.T.

Line output

transformer

+

Vmod

Series
regulator

BU2508A

SMPS

BUT11AF

Line scan
coils

0-30V

500nF

2uF

250uH

BY228

BYW95B

6.8nF

22nF

329

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

4.1.2  The BU25XXA/D Range of Deflection Transistors

Introduction

The

BU25XXA

range

forms

the

heart

of

Philips

Semiconductors 1500V power bipolar transistors.

This

technology offers world class dissipation in its target
application of 16 kHz TV horizontal deflection circuits. The
range has been extended for state-of-the-art large screen
TV (8 A, 32 kHz) and all the volume monitor applications
(up to 6 A, 64 kHz).

The successful application of the

BU25XXA range in all sectors of TV & monitor horizontal
deflection has proved it to be a global technology.

As a further improvement, the BU25XXD range of devices
have been introduced.

Using BU25XXA technology,

horizontal deflection transistors incorporating base-emitter
resistive damping and a collector-emitter damper diode
have been produced.

The devices in this range are

specifically aimed at the small-screen 16 kHz TV and
48 kHz monitor applications where the use of a D-type
device can offer a significant cost-saving. The D-types offer
the same performance as the A-type equivalent with only
slightly increased dissipation, at a similar cost.

Specification Notes

The I

Csat

value defines the peak current reached in a

horizontal deflection circuit during normal operation for
which optimum performance is obtained.

Unlike other

specification points, it is not necessary to inset this value
in a real application. Operation either much above or below
the specified I

Csat

value will result in less than optimum

performance. For higher frequencies the I

Csat

should be

lowered to keep the dissipation down.

The V

CESM

value defines the peak voltage applied under any

condition. The BU25XXA/D range could operate under
continuous switching to 1500V in a deflection circuit without
any degradation to performance but exceeding 1500V is
neither recommended nor guaranteed. In normal running
the peak flyback voltage is typically 1150V but a 1500V
device is required for fault conditions.

The storage time, t

s

, and fall time, t

f

, limits are given for

operation at the I

Csat

value and the frequency of operation

given by the application limit.

The BU25XXA Range Selection Guide

Specification

Application

Device

I

Csat

V

CESM

t

s

t

f

TV

Monitor

BU2508A/AF/AX

4.5 A

1500 V

6.0 

µ

s

600 ns

 25", 16 kHz

-

4.0 A

1500 V

5.5 

µ

s

400 ns

-

14", SVGA, 38 kHz

BU2520A/AF/AX

6.0 A

1500 V

5.5 

µ

s

500 ns

 29", 16 kHz

15", SVGA, 48 kHz

4.0 

µ

s

350 ns

 28", 32 kHz

BU2525A/AF/AX

8.0 A

1500 V

4.0 

µ

s

350 ns

 32", 32 kHz

(17", 64 kHz)

BU2522A/AF/AX

6.0 A

1500 V

2.0 

µ

s

250 ns

-

15", 64 kHz

BU2527A/AF/AX

6.0 A

1500 V

2.0 

µ

s

200 ns

-

17", 64 kHz

The BU25XXD Range Selection Guide

Specification

Application

Device

I

Csat

V

CESM

t

s

t

f

TV

Monitor

BU2506DF/DX

3.0 A

1500 V

6.0 

µ

s

500 ns

 23", 16 kHz

-

BU2508D/DF/DX

4.5 A

1500 V

6.0 

µ

s

600 ns

 25", 16 kHz

14", SVGA, 38 kHz

BU2520D/DF/DX

6.0 A

1500 V

5.5 

µ

s

500 ns

 29", 16 kHz

15", SVGA, 48 kHz

331

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Application Notes

The applications given in the selection guide should be seen
as an indication of the limits that successful designs have
been achieved for that device type. This should help in the
selection of a device for a given application at the design
concept stage.

For example, a 15" monitor requiring

operation up to 6 A at 64 kHz could use either a BU2522A
or BU2527A.

If the design has specific constraints on

switching and dissipation then the BU2527A is the best
option, but if cost is also a prime consideration then the
smaller chip BU2522A could be used with only slightly
degraded performance.

For an optimised design the

BU2525A can be used in 17", 64 kHz applications but the
BU2527A is the recommended choice.

Outlines

Philips Semiconductors recognise both the varying design
criteria and the market availability of device outlines and
this is reflected in the range of outlines offered for the
BU25XXA/D range. Three different outlines are offered for
the devices available, one non-isolated (SOT93) and two
isolated/full-pack designs (SOT199, TOP3D). The outline
is defined by the last letter in the type number, for example:

BU2508A

SOT93

non-isolated

BU2508AF

SOT199

isolated

BU2508AX

TOP3D

isolated

All three outlines are high quality packages manufactured
to Philips Total Quality Management standards.

The Benefits of the D-type

Fig.1.   BU2508A vs. BU2508D

The BU2508D technology incorporates the damper diode
and a base-emitter damping resistor, see Fig.1. In the target
16 kHz applications the damper diode is usually an axial
type (eg. BY228), the D-type

deflection transistor

incorporates this device in a monolithic structure.

This

presents a significant cost-saving in the application. The
base-emitter resistor eliminates the need for external
damping at the transistor base-emitter.

The only

consideration for replacing an A-type with a D-type is that
the base current required for optimised switching is slightly
higher for the D-type.

For higher currents and frequencies where diode modulator
circuits are used it appears at first that use of the D-types
is not possible. However, this is not so; D-type transistors
can be used WITH diode modulators in a beneficial way.
For example, a 15", 48 kHz SVGA monitor utilising a diode
modulator is at the borderline between an axial upper
damper diode and a TO220 type. The dissipation is such
that if an axial diode is used some sort of thermal
management may be necessary.

By using a D-type

transistor some of the current is taken by the diode in the
D-type relieving the discrete upper damper device. Use of
a D-type in this way has allowed an axial diode to be used
in place of a TO220 type making a significant cost saving.

Causes of Dissipation

In the cycle of operation there are four distinct phases:
turn-on, on, turn-off, off. Each phase is a potential cause
of dissipation. Of course, for enhanced circuit performance
dissipation in the deflection transistor must be minimised.

a) Turn-on. The primary function of a deflection transistor
is to assist in the sweep of the beam across the screen of
the display, ie to horizontally deflect the beam. As the
deflection transistor turns-on the beam is scanning from
just less than half way across. At mid-screen the beam is
un-deflected, ie the deflection current is zero.

So, the

deflection transistor turns on with a small negative collector
current, I

C

ramping up through zero. At turn-on there are

no sudden severe load requirements that cause significant
dissipation. In horizontal deflection turn-on dissipation is
negligible.

b) On-state. As the beam is deflected from the centre of
the screen to the right - hand side the I

C

increases as

determined by the voltage across the deflection coil. The
resulting voltage drop across the deflection transistor, V

CE

depends not only on this I

C

but also on the base drive: for

high I

B

the V

CE

will be low; for low I

B

the V

CE

will be high.

For high I

B

the transistor is said to be overdriven giving low

on-state dissipation. For low I

B

the transistor is said to be

underdriven giving higher on-state dissipation.

c) Turn-off. Turn-off starts when the forward I

B

is stopped.

This is followed 2 - 6 

µ

s later (depending on the device and

application) by the I

C

peaking. This delay is called the

storage time, t

s

of the device. During this time the V

CE

rises

as the current rises causing increased dissipation: the
longer t

s

the higher the dissipation. As the I

C

peaks so

scanning ends and the process of flyback begins. Now, as
the I

C

falls (in time t

f

, the fall-time) the V

CE

rises to the peak

flyback voltage; this a phase of high dissipation.

D2

Rbe

BU2508A, BE resistor, damper diode

BU2508D

332

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Turn-off is the dominant loss phase for all deflection
transistors. The device characteristics in this phase are of
much interest to the TV & monitor design engineers.

d) Off-state. In an optimised drive circuit the device will
be off for V

CE

above 250V in flyback. For the rest of the

flyback the collector-emitter is reverse biased while the
base-emitter will also be reverse biased: between -1 to -4V.
Any leakage through the device will be the cause of
dissipation. For the BU25XXA/D range, low-contaminant
processing ensures that the bulk leakage is very low. Also,
the long-established Philips glass passivation has very low
leakage. The device characteristics coupled with the low
pulse width and duty cycle of the flyback mean that the
losses in the off-state are negligible.

In a D-type deflection transistor there is an additional cause
of dissipation:

e) Diode Conduction. At the end of flyback the next scan
will start. As the flyback voltage goes negative so the diode
conducts, this clamps the voltage on the flyback capacitor.
The fixed voltage provides a fixed ramp in current through
the deflection coil and through the diode; the beam sweeps
from the left towards the centre of the screen. At, or near,
the centre this current approaches zero ending the diode
conduction phase. The dissipation here is dominated by
two characteristics of the diode: the forward recovery and
the on-state voltage drop. This can be a significant cause
of dissipation in a D-type transistor.

The effect of both underdrive and overdrive on the device
is increased device dissipation and hence increased
junction temperature. In general, the higher the junction
temperature the shorter the lifetime of the device in the
application.

Optimised drive circuit design and good

thermal management can bring the device junction
temperature down to well below the limit T

jmax

.

Such

considerations enhance the reliability of the deflection
transistor in the application. It is essential that care is taken
at the design stage to optimise the base drive for the device
product spread.

Dynamic Testing

The BU25XXA/D range is assessed in a deflection
switching test circuit designed to simulate the most
demanding running conditions of the application.

The

horizontal deflection coils, which form the major part of the
collector load, are represented by a variable inductance Lc
and the flyback and diode modulator circuits by a single
diode, BY228 and variable capacitance, Cfb.

For

BU2508A/AF/AX TV applications the test circuit is shown
in Fig.2 below.

This

circuit

generates

the

characteristic

deflection

waveforms, Fig.3, from which the storage time, fall time and
energy loss at turn-off can be measured. These parameters
define the device performance in the application.

Fig.2.   BU2508A/AF/AX 16 kHz Deflection

Switching Test Circuit

Fig.3.   Deflection Switching Waveforms

It is not valid to do a single-shot test for the switching
parameters as the characteristics of the nth pulse depend
on the previous (n-1)th pulse. To achieve this the tester
works in a double pulse mode.

‘Bathtub’ Curves

Fig.4.   BU2508A Typical Turn-Off Losses

- ‘Bathtub’ curve

IBon

-VBB

LB

Lc

HVT

Cfb

BY228

+150V nominal

adjust for Icm

Ib

Ib

Ic

Ic

Ic

Ic

ILc

ILc

Tscan

Tfb

Idiode

Vce

Vce

ILc=Idiode

Idiode

Tfb

ILc=Ic

0.1

1

10

IB / A

Eoff / uJ

BU2508A

1000 

100 

10 

3.5A

IC = 4.5A

333

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

A plot of base current, I

B

, against turn off dissipation, Eoff,

for one BU2508A measured in the switching test circuit at
a peak collector current of 4.5A gives the characteristic
‘bathtub’ shape shown in Fig.4 above. From this curve the
tolerance to base drive variations can be assessed and the
optimum I

B

determined for a given I

C

.

The switching performance is also determined by the peak
reverse base current at switch off. For a typical h

FE

device,

of all types in the BU25XXA/D range, a peak reverse base
current, I

Boff

, equal to one half the typical peak I

C

is

recommended for optimum dissipation.

This is largely

determined by the drive transformer and is usually difficult
to be fine-tuned. In the typical non-simultaneous base drive
circuit the level of forward base current, I

B

, is easily

controlled, hence, the presentation of the turn-off losses
versus I

B

.

The ‘bathtub’ curves are plotted for a reverse base voltage
at turn-off of -4V.

This level of reverse base drive is

recommended for the BU25XXA/D range as it reduces the
risk of any noise, or ring, forward biasing the base-emitter
during flyback. However, in well-engineered designs the
BU25XXA/D can operate just as well with a reverse base
voltage at turn-off of only -1V. This tolerance to base drive
is very useful to design engineers.

On the far left of the curve, at low I

B

values, the device is

severely underdriven resulting in a high turn off dissipation.
As the base drive is increased the degree of underdrive is
reduced and the device remains in saturation for a larger
proportion of its on time. This is the reason for the initial
decrease in Eoff with increasing I

B

seen in the ‘bathtub’

curve. Eventually, the optimum drive is reached and the
turn off dissipation, Eoff, is at its minimum value. Increasing
the base drive still further results in overdrive and the
appearance of an I

C

tail at turn off. The result of this, as

can be seen in the ‘bathtub’ curve, is increasing turn off
losses with increasing I

B

.

Typically, this curve has steep sides and a flatter central
portion; this gives it the shape of the cross-section through
a bathtub, hence the name ‘bathtub’ curve !

The BU25XXA/D technology gives a sharper looking curve
but a much lower level of Eoff/Poff than competitor types.
For optimised drive the BU25XXA/D technology offers
world class dissipation in 16 kHz TV deflection circuits.

Process Control

The success of the BU25XXA/D range has enabled
significant enhancements to be made to the benefit of both
our customers and ourselves. By utilising a continuous
cycle of quality improvement coupled with high volume
production, Philips Semiconductors can demonstrate their
excellent process control in specified h

FE

and dissipation

limits. This control is achieved by manufacturing capability
rather than test selections. This process control improves
manufacturing throughput and yield and, hence, customer
deliveries. The improvements in manufacturing result in
higher process capability indices enabling the introduction
of tightened internal test specifications.

Critical Parameter Distribution Fact Sheets

Industry standard data sheets for all power semiconductor
devices offer an introduction to the device fundamentals
and can usually be used for a quick comparison between
competitor types. Detailed use of a specific device requires
much more information than is contained in any data sheet.
This is particularly relevant to high voltage bipolar
transistors, and especially horizontal deflection transistors.
A horizontal deflection transistor is only as good as the base
circuit that drives it. The growth of power MOSFET’s is
mainly due to the difficulties in driving bipolar transistors.
However, MOSFET technology is not suitable for horizontal
deflection applications,

Philips Semiconductors are

actively involved in supplying the support tools necessary
for the successful design-in of their BU25XXA/D range.

Recognising

the

designers

requirements

Philips

Semiconductors now provide critical parameter distribution
fact sheets for the BU25XXA/D range. This additional data
should be used in conjunction with the data sheets to give
a full picture of the device capabilities and characteristics
over the production spread.

The fact sheets give limit curves for the power dissipation
in the device caused by turn-off, P

off

, at a given operating

frequency and range of load current, I

C

all at 85˚C (a typical

operating temperature for TV and monitor applications).
These curves provide limits to the typical ‘bathtub’ curves
given in data. It is important to recognise that these fact
sheet curves represent the LIMIT of production when
comparing the BU25XXA/D range with competitor types
which offer this information as TYPICAL only, if at all. This
information displays the technical performance of the
device and the measurement capability available.

Contained in the fact sheets is evidence of the world class
dissipation limits obtained by the BU25XXA/D range. As
an example, the BU2508A/AF/AX ‘bathtub’ limit curves are
shown in Figs.5-7.

These fact sheets also contain limit h

FE

curves for V

CE

= 1  V

and 5 V at three different temperatures: -40˚C, 25˚C, and
85˚C. The range of temperatures chosen reflects the range
of customer requirements. These limit curves define the
device characteristics for all the important extremes of
operation. As an example the BU2508A/AF/AX limit h

FE

curves for V

CE

= 1 V and 5 V at 25˚C are shown in Figs.8-9

below. The 100% test points are indicated by arrows.

334

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

 

Fig.5.   BU2508A/AF/AX

Fig.6.   BU2508A/AF/AX

Fig.7.   BU2508A/AF/AX

Max. P

off

 vs. I

B

Max. P

off

 vs. I

B

Max. P

off

 vs. I

B

for I

C

 = 3.5 A @ 85˚C

for I

C

 = 4.5 A @ 85˚C

for I

C

 = 5.5 A @ 85˚C

0.4

0.6

0.8

10 

0.1 

Poff (W)

Tj = 85C

f = 16kHz

IC = 3.5A

BU2508A/AF

1.0

IB (A)

0.5

1.5

10 

0.1 

1.0

2.0

Poff (W)

Tj = 85C

f = 16kHz

IC = 4.5A

BU2508A/AF

IB (A)

1

2

3

10 

0.1 

1.5

2.5

Poff (W)

BU2508A/AF

IC = 5.5A

Tj = 85C

f = 16kHz

IB (A)

Fig.8.   BU2508A/AF/AX h

FE

 vs I

C

 @ 1 V, 25˚C

Fig.9.   BU2508A/AF/AX h

FE

 vs I

C

 @ 5 V, 25˚C

100 

10 

hFE

0.01

IC (A)

0.1

1.0

10

BU2508A/AF

VCE = 1V

Tj = 25C

100 

10 

hFE

0.01

IC (A)

0.1

1.0

10

BU2508A/AF

VCE = 5V

Tj = 25C

335

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Drive Circuits

It was stated previously that a horizontal deflection
transistor is only as good as the base circuit that drives it.
Philips Semiconductors address this problem by providing
fact sheets with an example of a drive circuit for the target
applications. The drive circuits presented are of the industry
standard non-simultaneous base drive type utilising
commercially available Philips components. An example
of these drive circuits is shown for the BU2508A in Fig.10
below.

This drive circuit is not an end in itself but a means to an
end: it produces the waveforms at the base that enable the
load set by Vcc, Lc and Cfb to be switched most efficiently.
For this reason the waveforms produced by this circuit are
also presented in the fact sheet. Again, for the BU2508A
example given above the waveforms are shown in
Figs.11-15 below.

The drive circuit employed in the application could be quite
different to the one given above in Fig.10 but the base drive
waveforms in Figs.11 & 13 must be replicated for optimised
switching.

The fundamental concept of the non-simultaneous base
drive is well established in the TV and monitor industry for
driving the horizontal deflection transistor.

Individual

designs, however, can differ significantly.

A different

transformer design may enable the required base current
to be generated without the addition of Lb and D1, Rb.
Driving Rp from a low voltage supply could reduce the cost
by allowing a low voltage transistor, Q1 and capacitor, Cd
to be used.

The resistor Rbe is necessary to eliminate any overshoot
in the Vbe at the end of the base-emitter avalanche that
could turn the transistor on during flyback. Such an event
would lead to an early failure of the transistor by exceeding
the forward biased safe-operating area (FBSOA). In circuits
operating at higher frequencies resistive damping alone is
usually not sufficient and RC damping is required.

In this application, the BU2508A could be replaced by the
BU2508D in the circuit of Fig.10. This would allow the
BY228 and Rbe resistor to be removed from the circuit.

Fig.10.   BU2508A 4.5 A, 16 kHz Drive Circuit

Components and values:  Rp = 1 k

, 2 W; Cr = 100 nF; Rd = 560 

; Cd = 470 pF, 500 V; Q1 Philips BF819;

T1 Philips AT4043/87 Transformer; Lb = 0.5 

µ

H; Rb = 0.5 

, 0.5 W; D1 Philips BYV28-50; Rbe = 50 

;

Lc = 1 mH; Cfb = 12 nF, 2 kV; D2 Philips BY228; Vcc = 115 V.

Lc

Cfb

Vcc

0V

D.U.T.

Rb

Cd

Rd

Rp

T1

Q1

Vp

Vce

Vbe

D1

Rbe

D2

0V

Cr

0V

Lb

336

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.11.   BU2508A/AF I

B

 vs. time

Fig.12.  BU2508A/AF I

C

 vs. time

Fig.13.   BU2508A/AF V

BE

 vs. time

Fig.14.   BU2508A/AF V

CE

 vs. time

I

B(end)

 = 0.9 - 1.1 A; I

Cmax

 = 4.5 

±

 0.25 A;

|- I

B(off)

 2.0 A;

V

CEmax

 = 1100 - 1200 V

Fig.15.   V

P

 vs. time

BU2508A/AF

IB (1A/div)

-2 

-4 

time (10us/div)

BU2508A/AF

time (10us/div)

IC (1A/div)

-2 

BU2508A/AF

time (10us/div)

-5 

-10 

-15 

VBE (5V/div)

BU2508A/AF

time (10us/div)

VCE (200V/div)

200

400

600

800

1000

1200

1400

time (10us/div)

VP (50V/div)

200 

150 

100 

50 

250

BU2508A/AF

337

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

4.1.3  Philips HVT’s for TV & Monitor Applications

This section simplifies the selection of the power switches
required for the SMPS and horizontal deflection in TV and
monitor applications. Both high voltage bipolar transistors
and power MOSFET devices are included in this review.
As

well

as

information

specific

to

the

Philips

Semiconductors range of devices, general selection criteria
are established.

HVT’s for TV & Monitor SMPS

The vast majority of television and monitors have switch
mode power supplies that are required to generate an
90 - 170V supply for the line deflection stage, plus a number
of lower voltage outputs for audio, small signal etc. By far
the easiest and most cost effective way of fulfilling these
requirements is to use a flyback topology. Discontinuous
mode operation is generally preferred because it offers
easier control

and smaller transformer sizes

than

continuous mode.

For the smaller screen size TV’s, where cost is a dominant
factor, bipolar HVT’s dominate. For large screen TV and
monitors power MOSFET’s are usually chosen.

The peak voltage across the switching transistor in a flyback
converter is twice the peak dc link voltage

plus an overshoot

voltage which is dependent on the transformer leakage
inductance and the snubber capacitance. Thus, for a given
mains input voltage there is a minimum voltage requirement
on the transistor. Increasing the transformer leakage and/or
reducing the snubber capacitance will increase the
minimum voltage requirement on the transistor.

a) Power MOSFET’s

For TV’s operating just with 110/120V mains applications
a device which can be used with peak voltages below 400V
is required. For these applications the power MOSFET is
used almost exclusively. A wide variety of 400V power
MOSFET’s are available, leading to lower device costs,
which coupled with the easier drive requirements of the
MOSFET make this an attractive alternative to a bipolar
switch.

For 220/240V and, more recently, for universal input mains
applications where an 800V device is generally required
the cost of power MOSFET was prohibitive.

However,

improvements both in circuit design and device quality has
meant that a 600V device can be used in these applications.

Philips Semiconductors have a comprehensive range of
powerMOS devices for these applications.

The main

parameters of these devices most applicable to TV and
monitor SMPS applications are summarised in Table 1.

Part Number

V

DSS

R

DS(ON)

@ I

D

BUK454-400B

400 V

1.8 

1.5 A

BUK455-400B

400 V

1.0 

2.5 A

BUK457-400B

400 V

0.5 

6.5 A

BUK454-600B

600 V

4.5 

1.2 A

BUK455-600B

600 V

2.5 

2.5 A

BUK457-600B

600 V

1.2 

6.5 A

BUK454-800A

800 V

6.0 

1.0 A

BUK456-800A

800 V

3.0 

1.5 A

BUK438-800A

800 V

1.5 

4.0 A

Table 1.  Philips PowerMOS HVT’s for TV & Monitor

SMPS Applications

The V

DSS

value is the maximum permissible drain-source

voltage of the powerMOS in accordance with the Absolute
Maximum System (IEC 134).

The R

DS(ON)

value is the

maximum on-state resistance of the powerMOS at the
specified drain current, I

D

.

b) Bipolar HVT’s

Bipolar HVT’s still have an important role in TV SMPS
applications.

Many

new

TV

designs

are

slight

improvements on existing designs incorporating a new
control or signal feature (eg Fastext, SCART sockets) which
do not demand the re-design of the SMPS. If there has
been a good experience with an existing SMPS it is not
surprising that these designs should continue in new TV
models.

For 220/240V mains driven flyback converters, generally,
a 1000V bipolar HVT is used. The full voltage capability of
the transistor can be used as the limit under worst case
conditions but it must never be exceeded. In circuits where
the transformer leakage inductance is high, and voltages
in excess of 1000V can occur, a device with a higher voltage
handling capability is required.

339

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Philips Semiconductors have a comprehensive range of
bipolar HVT devices for these applications.

The main

parameters of these devices most applicable to TV SMPS
applications are summarised in Table 1.

Part

V

CESM

V

CEO

I

Csat

V

CEsat

Number

BUX85

1000 V

450 V

1 A

1.0 V

BUT11A

1000 V

450 V

2.5 A

1.5 V

BUT18A

1000 V

450 V

4 A

1.5 V

BUT12A

1000 V

450 V

5 A

1.5 V

BUW13A

1000 V

450 V

8 A

1.5 V

BU506

1500 V

700 V

3 A

1.0 V

BU508A

1500 V

700 V

4.5 A

1.0 V

Table 2.  Philips Bipolar HVT’s for TV SMPS Applications

The

V

CESM

value

is

the

maximum

permissible

collector-emitter voltage of the transistor when the base is
shorted to the emitter or is at a potential lower than the
emitter contact. The V

CEO

value is the maximum permissible

collector-emitter voltage of the transistor when the base is
open circuit. Both voltage limits are in accordance with the
Absolute Maximum System (IEC 134). The V

CEsat

value is

the maximum collector emitter saturation voltage of the
transistor, measured at a collector current of I

Csat

and the

recommended base current.

c) Selection procedures

Some simple calculations can be made to establish the
device requirements. The first requirement to be met is that
the peak voltage and current values are within the
capabilities of the device. For a flyback converter the peak
voltage and current values experienced by the power switch
are given by the equations in Table 3.

Peak voltage across

the device

Peak device current

Table 3.  Peak Voltage and Current in a Flyback

Converter.

where:

V

s(max)

= maximum dc link voltage

σ

= voltage overshoot due to transformer leakage

V

s(min)

= minimum dc link voltage

P

th

= throughput power of SMPS

δ

m

= maximum duty cycle of SMPS

Note: in this example, the throughput power is equal to the
input power less the circuit losses up to the power switch.

MOSFET or bipolar?

The main factors influencing this decision are ease of drive
and cost, given the limitation on percentage of throughput
power which can be dissipated in the power switch.
MOSFETs require lower drive energy and less complicated
drive circuitry. They also have negligible switching losses
below 50 kHz. However, large chip sizes are required in
order to keep on state losses low (especially as breakdown
voltage is increased). Thus the larger chip size of the
MOSFET is traded off against its capacity for cheaper and
easier drive circuitry and higher switching frequencies.

For 110/120V mains driven TV power supplies the 400V
MOSFET dominates. At 220/240V there is a split between
bipolar and power MOSFET

Which MOSFET?

The optimum MOSFET for a given circuit can be chosen
on the basis that the device dissipation must not exceed a
certain percentage of throughput power. Using this as a
selection criterion, and assuming negligible switching
losses, the maximum throughput power which a given
MOSFET is capable of switching is calculated using the
equation;

where:

P

th(max)

= maximum throughput power

δ

max

= maximum duty cycle

τ

= required transistor loss

(expressed as a fraction of the output power)

R

ds(125C)

= R

DS(ON)

at 125˚C

V

s(min)

= minimum dc link voltage

A transistor loss of 5% of output power gives a good
compromise between device cost, circuit efficiency and
heatsink size (ie

τ

= 0.05)

Note that the R

DS(ON)

value to be used in the calculation is

at 125˚C (a practical value for junction temperature during
normal running). The R

DS(ON)

specified in the device data

is measured at 25˚C. As junction temperature is increased
the R

DS(ON)

increases, increasing the on state losses of the

MOSFET.

The extent of the increase depends on the

device voltage, see Fig. 1.

For 400V MOSFET’s R

ds(125C)

= 1.98 x R

DS(ON)

 @ 25˚C,

where R

DS(ON)

 @ 25˚C is the value given in device data.

For 800V MOSFET’s R

ds(125C)

= 2.11 x R

DS(ON)

 @ 25˚C.

P

th

(

max

)

=

3

× τ ×

V

s

(

min

)

2

× δ

max

4

×

R

ds

(

125C

)

(

2

×

V

s

(

max

)

) + σ

2

×

P

th

δ

m

×

V

s

(

min

)

340

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 1. Change in R

DS(ON)

 vs. V

DSS

.

Which bipolar?

For maximum utilisation of a bipolar transistor it should be
run at its data I

Csat

. This gives a good compromise between

cost, drive requirements and switching losses. Using this
as a selection criterion the maximum output power which
a given bipolar transistor is capable of switching is
calculated using the equation;

where: P

th(max)

= maximum throughput power

δ

max

= maximum duty cycle

V

s(min)

= minimum dc link voltage

I

Csat

= I

Csat

in transistor data

d) Selection table

Using the selection procedures just discussed, and the
device data given previously, the following selection table
of suitable devices for flyback converters of various output
powers has been constructed.

Output

110/120V (ac)

220/240V (ac)

Power

mains

mains

50 W

BUK454-400B

BUK454-600B
BUK454-800A

BUX85

100 W

BUK455-400B

BUK455-600B
BUK456-800A

BUT11A/BU506

150 W

BUK457-400B

BUK457-600B
BUK438-800B

BUT12A/BU506

200 W

BUK457-400B

BUK438-800A

BUW13A/BU508A

Table 4.  Power Switch Selection Table

HVT’s for TV & Monitor Horizontal
Deflection

This application is one of the few remaining applications
which is entirely serviced by bipolar devices.

The

technology is not yet commercially available to provide
MOSFET or IGBT devices for this application. A horizontal
deflection transistor is required for each TV and monitor
employing a standard cathode ray tube display.

The deflection transistor is required to conduct a current
ramp as the electron beam sweeps across the screen and
then withstand a high voltage peak as the beam flies back
before the next scan starts. The peak current and voltage
in the application define the device required. In addition to
this, the deflection transistor is required to switch between
the peak current and peak voltage states as quickly and
efficiently as possible. In this application the switching and
dissipation requirements are equally as important as the
voltage and current requirements.

Standard TV switches at a frequency of 16 kHz, rising to
32 kHz for improved definition TV (IDTV). In the future,
high definition TV (HDTV) will switch between 48 and
64 kHz.

Standard VGA monitors switch at 31 kHz, rising to 48 kHz
for SVGA. However, many other (as yet unnamed) modes
exist for PC monitors and work stations, extending up to
100 kHz switching frequencies.

Vertical deflection is much lower in frequency (50 to 70 Hz)
and will not be discussed as this uses lower power devices
(typically 150V / 0.5A).

a) Voltage and Current Requirements

For a given scan frequency the voltage and current
requirements of the horizontal deflection transistor are not
fixed. However, the suitable transistors are all linked by the
relationship;

The derivation of this law is as follows:

The horizontal deflection angle (typically 110

o

) covered in

a given time is proportional to the magnetic field sweep
between the horizontal deflection coils.

This is in turn

proportional to the product of the number of turns on the
deflection coils and the peak to peak current. The average
current in the deflection coils is zero and hence the peak
positive current in the coils is half the peak to peak current.
These relationships yield the following equation;

0

200

400

600

800

1,000

1,200

100, 1.74

200, 1.91

400, 1.98

500, 2.01

800, 2.11

1,000, 2.15

1.7

1.8

1.9

2

2.1

2.2

Device voltage rating (Volts)

Rdson(125C)/Rdson(25C)

P

th

(

max

)

= δ

max

×

V

s

(

min

)

×

I

Csat

2

I

Csat

×

V

CESM

=

constant

B

n

×

I

341

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

where:

B = magnetic field

sweep between

the horizontal

deflection coils

n = number of turns on the horizontal deflection coils
I

= peak positive current in the horizontal deflection coils

The inductance of the horizontal deflection coils, L, is
proportional to the square of the number of turns, ie

Combining these two equations gives

and so for a given deflection angle and horizontal scan
frequency, and therefore a given B, L x I

2

is a constant.

For a given deflection frequency the flyback time is also
fixed.

Flyback time is related to the deflection coil

inductance, L, and the flyback capacitance, C, by the
equation

During the flyback period the energy in the deflection coils
(1/2.LI

2

) is transferred to the flyback capacitor and so the

voltage across the flyback capacitor rises. Assuming all
the energy is conserved during this transfer, the increase
in voltage across the flyback capacitor,

δ

V, is given by

So, if LI

2

is a constant then C

δ

V

2

is a constant also.

Therefore, as LC is a constant so is (I

δ

V)

2

. So we have:

δ

V is the voltage rise across the flyback capacitor due to

the energy transferred from the deflection coils during the
flyback period.

The peak voltage across the flyback

capacitor, V

peak

, is given by

where:

V

CC

 = line voltage (typically +150 V)

The flyback capacitor is positioned across the collector
emitter of the horizontal deflection transistor. Therefore,
the peak voltage across the flyback capacitor is also the
peak voltage across the collector - emitter of the deflection
transistor.

In order to protect the transistor against overload conditions
(eg picture tube flash) a good design practice is to allow
V

CEpeak

to be 80% of the V

CESM

rating. V

CC

is generally around

10% of the V

CEpeak

(in order to obtain the correct ratio of scan

time to flyback time). This gives

All the positive current in the horizontal deflection coils is
conducted by the horizontal deflection transistor. However,
this is not the peak current in the transistor. The transistor
is normally also required to conduct the current in the
primary of the line output transformer (LOT). Typically, this
will increase the peak current in the deflection transistor by
40%. For optimum deflection circuit design the peak current
in the transistor will be its I

Csat

rating, ie

Therefore, for a given deflection angle and a given
horizontal scan frequency the horizontal deflection circuit
can be designed around any one of a number of devices.
However, the suitable devices are all linked by the equation

Summary

For a given horizontal deflection angle and horizontal scan
frequency

where:

V

CESM

= maximum

voltage

rating

of

the

horizontal

deflection transistor

I

Csat

= I

Csat

rating of the horizontal deflection transistor

δ

V

= voltage rise on the flyback capacitor due to the

energy transfer from the horizontal deflection coils

I

= peak positive current in the horizontal deflection

coils

L

= inductance of the horizontal deflection coils

C

= value of flyback capacitance

These relationships apply only for the assumptions
declared previously.

b) Switching and Dissipation
Requirements

In TV, for a given scan frequency the minimum on time of
the transistor is well defined.

For 16 kHz systems the

transistor on time is not less than 26 

µ

s and for 32 kHz

systems it is not less than 13 

µ

s. This enables the required

storage time of the transistor to be well defined. For 16 kHz
systems a maximum storage time of 6.5 

µ

s is the typical

requirement. For 32 kHz systems the required maximum
storage time is typically 4.0 

µ

s. For higher frequencies the

required maximum storage time is reduced still further.

L

n

2

I

Csat

=

1.4

×

I

B

2

L

×

I

2

I

Csat

×

V

CESM

=

constant

t

fb

√

L

×

C

V

CESM

1.25

× δ

V

+

190

I

Csat

=

1.4

×

I

I

Csat

×

V

CESM

=

constant

L

×

I

2

=

C

× δ

V

2

=

constant

1
2

×

L

×

I

2

=

1
2

×

C

× δ

V

2

δ

V

×

I

=

constant

V

peak

= δ

V

+

V

CC

V

CESM

1.25

× δ

V

+

190

342

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

In monitor applications, especially multi frequency models,
the on time is not well defined. There are many different
frequency modes and several control ic’s giving different
duty cycles. However, it can be said that the higher the
frequency, the shorter the storage time required.

Storage time in the circuit can always be reduced by turning
the transistor off harder. However, this eventually leads to
a collector current tail at turn off and as a consequence the
turn off dissipation increases. Turn off dissipation accounts
for the bulk of the losses in a deflection transistor and it is
crucial that this is kept to a minimum.

The deflection

transistor must be tolerant to drive and load variations if it
is to achieve a low turn off dissipation because the east -
west correction on larger screen television sets means that
circuit conditions are not constant.

Turn off can be

optimised during the design phase by ensuring that the
peak reverse base current is roughly half of the peak
collector current and the negative base drive voltage is
between 2 and 5V.

Turn on performance is not a critical issue in deflection
circuits. At turn on of the deflection transistor the I

C

is low,

the V

CE

is low and, therefore, the dissipation is low. The

actual turn on performance of the transistor has a negligible
effect.

c) HVT’s for Horizontal Deflection

The deflection circuit must satisfy any specified cost,
efficiency and EMC requirements before it can be called
acceptable. A very high voltage deflection transistor would
allow a lower deflection coil current to be used, reducing
the level of EM radiation from the deflection coils, but it
would require a higher line voltage and it would also result
in higher switching losses in the transistor. A very high
deflection coil current would allow a lower voltage deflection
transistor to be used and a lower line voltage. This would
also yield lower switching losses in the deflection transistor.
However, high currents in the deflection coils could lead to
EMC problems, and the need to keep the resistive coil
losses low would mean that thicker wire would have to be
used for the windings. Above a certain point the skin depth
effect makes it necessary to use litz wire.

For 16 kHz and 32 kHz applications the 1500V bipolar
transistor has become the designers first choice, although
many 16 kHz systems could work well using 1000V
devices. However, concern over fault conditions that can
cause odd high voltage pulses has seen 1500V adopted
as the ‘standard’. The collector currents involved range
from 2.5A peak to 8A peak for TV and 3.5A peak to 7A peak
for monitors. The transistors for these applications are now
considered.

16 kHz applications

Table 5 lists the 1500V transistors for 16 kHz TV deflection
systems and a summary of their main characteristics.

Part

V

CESM

I

Csat

Application

Number

BU505/D

1500V

2A

Monochrome sets

BU506/D

1500V

3A

90˚ Colour; 

 23"

BU2506DF

BU508A/D

1500V

4.5A

110˚ Colour; 21-25"

BU2508A/D

BU2520A/D

1500V

6A

110˚ Colour; 25-29"

Table 5.  Transistors for 16 kHz TV deflection

All of the above types are available in both non-isolated and
isolated outlines (F-pack), except the BU2506DF - F-pack
only. Isolated outlines remove the need for an insulating
spacer to be used between device and heatsink. Devices
are available both with and without a damper diode (eg
without: BU505, BU2520A and with: BU505D, BU2520D).
The BU2506DF is only available with a damper diode.

The BU25XX family is a recent addition to the range of
Philips deflection transistors. Far from being just another
1500V transistor, the BU25XX has been specifically
designed for horizontal deflection. By targeting the device
for this very specialised application it has been possible to
achieve a dissipation performance in deflection circuits
which is exceptional.

The BU2520A uses the superior technology of the BU25XX
family applied to a large chip area. The BU2508A has an
h

FE

of 5 at 5V V

CE

and 4A I

C

. The BU2520A has an h

FE

of

5 at 5V V

CE

and 6A I

C

. This gives designers working on

large colour television sets a high h

FE

deflection transistor

with a high current capability. The high h

FE

reduces the

forward base drive energy requirements. The high current
capability enables the energy drawn from the line output
transformer to be increased. Using a BU2520A device
allows the EHT energy to be increased for brighter pictures
(a feature of new ‘black line’ tubes) without having to
increase the forward base drive energy to the deflection
transistor.

32 kHz applications

Table 6 gives the 1500V transistors for 32 kHz deflection
systems and a summary of their main characteristics.

Part

V

CESM

I

Csat

Application

Number

BU2520A

1500V

6A

110˚ Colour; 

 28"

BU2525A

1500V

8A

110˚ Colour; 

 32"

Table 6.  Transistors for 32 kHz deflection

343

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

For the foreseeable future 32 kHz TV will be concentrated
at the large screen sector ( 

 25"). These TV’s will employ

diode modulator circuits lessening the need for D-type
transistors.

With a switching frequency twice that of

conventional TV the dissipation in these devices will be
higher. For this reason the non-isolated versions, with lower
thermal resistance, will be prevalent in these applications.

Monitor applications

The applications given in Table 7 should be seen as an
indication of the limits that successful designs have been
achieved for that device type. This should help in the
selection of a device for a given application at the design
concept stage.

For example, a 15" monitor requiring

operation up to 6A at 64 kHz could use either a BU2522A,
a BU2525A or a BU2527A.

If the design has specific

constraints on switching and dissipation then the BU2525A
and BU2527A would be better. If, as well, a guaranteed
RBSOA is required then the BU2527A is the best choice.

Table 7 gives the 1500V transistors for monitor deflection
systems, concentrating on the common pc and industry
standard work station modes.

Part

V

CESM

I

Csat

Application

Number

BU2508A/D

1500V

4.5A

14", SVGA, 38 kHz

BU2520A

1500V

6A

15", SVGA, 48 kHz

BU2522A

1500V

6A

15", 64 kHz

BU2525A

1500V

8A

(17", 64 kHz)

BU2527A

1500V

6A

17", 64 kHz

Table 7.  Transistors for Monitor deflection

All devices are available in non-isolated and isolated
outlines. The excellent dissipation of this range of devices
means that, even at monitor switching frequencies, devices
in an isolated package can be used

344

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

4.1.4  TV and Monitor Damper Diodes

Introduction

Philips Semiconductors supply a complete range of diodes
for the horizontal deflection stage of all volume TV and
monitor applications. This note describes the range of
Philips parts for the damper (also called efficiency) diode
in horizontal deflection.

The damper diode has some

unusual

application

specific

requirements

that

are

explained in this section.

Damper diodes form an essential part of the horizontal
deflection circuit. The choice of diode has an effect on the
total circuit dissipation and the display integrity. A poor
selection can lead to unnecessary power loss and a visible
picture distortion.

As well as a full range of discrete devices for the damper
diode application Philips offfer a range of horizontal
deflection transistors with integrated damper diodes.
These devices offer a cost and space saving, especially
beneficial for high volume TV production.

Discrete Damper Diode Selection Guide

I

FWM

, I

F(AV)

. The quoted I

F(AV)

values do not correspond to

any particular current in the application. The values are
standard

data

format

for

selection

purposes

and

comparison with competitor types. In general, the larger the
I

F(AV)

the higher the deflection coil current and/or frequency

in the application. A more meaningful specification is I

FWM

,

this refers to the peak operating current in a 16 kHz TV
application given a standard current characteristic. The
application columns in table 1 define the limit fitness for use
of each diode.

V

RSM

The damper diode should have a voltage capability

equal to the deflection transistor. In most applications this
will be 1500V. The V

RSM

value equates to the peak flyback

voltage. The diode data should not be viewed as that for
other diodes where it is quite common to use devices with
V

RSM

5 or 10 times greater than the peak circuit voltage.

Damper diodes will operate in horizontal deflection circuits
with peak flyback voltages up to the specified limit.
However, the limit V

RSM

should not be exceeded in any

circumstance. In practice, a device with V

RSM

of 1500V will

be found in applications with peak flyback voltages of 1300V
in normal running; fault conditions do not usually see more
than a 200V rise in flyback voltage.

Outline. The Philips range spans the available outlines for
this application from axial to TO220 type. The SOD57 and
SOD64 are hermetically sealed axial - leaded glass
envelopes. These outlines combine the ability to house
large chips with proven reliability and low cost. For high
ambient temperatures with severe switching requirements
the addtion of cooling fins may be necessary to achieve
successful operation at the application limit.

For higher currents and frequencies there are devices in
TO220

type

outlines.

TO220AC

is

a

two-legged

non-isolated outline. The pin-out is such that the tab is
always the cathode. For an isolated equivalent outline there
are SOD100 and the newer SOD113. The SOD100 is the
traditional isolated TO220 outline allowing the device to be
attached to a common heatsink without any separate
isolation. The SOD113 is an enhanced version of SOD100
offering an improved isolation specification. Philips offer a
complete range of mounting accessories for all these
outlines.

Specification

Application

Device Type

I

FWM

,I

F(AV)

V

RSM

Outline

TV

Monitor

BY448

4 A

1650 V

SOD57

 21", 16 kHz

-

BY228

5 A

1650 V

SOD64

25", 16 kHz

-

BY328

6 A

1500 V

SOD64

28", 16 kHz

14", SVGA, 38 kHz

BY428

4 A

1500 V

SOD64

21", 32 kHz

14", 64 kHz

BY359

10 A

1500 V

TO220AC

36", 32 kHz

17", 64 kHz

BY359F(X)

SOD100 (SOD113)

BY459

10 A

1500 V

TO220AC

HDTV

19", 1280x1024, 82 kHz

BY459F

SOD100

Table.1  Philips Semiconductors Damper Diode Selection Guide

345

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Horizontal Deflection Transistors with
Integrated Damper Diode

Fig.1.   BU508A/2508A vs. BU508D vs. BU2508D

The range of devices available covers most high volume
TV & Monitor applications where designers require a choice
of devices to meet their requirements. The differences are
shown in Fig. 1 above. These devices are all monolithic
structures. The process of integrating the diode does not
reduce the performance of the deflection transistor.

For traditional horizontal deflection circuits with a single
damper diode it is easy to see the benefits of integrating
the deflection transistor and damper diode. The additional
dissipation in the integrated damper diode should be taken
into account in the thermal management considerations.
The use of the deflection transistor with integrated diode
allows a simpler layout with lower component count and
cost.

For circuit designs that employ a diode modulator circuit it
is still quite common to employ a deflection transistor with
an integrated damper diode. In these circuits the current

is shared between the integrated diode and the discrete
modulator damper diode. This technique allows smaller
discrete diodes to be used or reduced thermal management
for the discrete device. For example, this could allow the
circuit designer to remove any cooling fins on an axial diode;
or replace a TO220 type with a cheaper axial type of discrete
diode in the modulator.

Table 2 below shows a selection of Philips Semiconductors’
horizontal deflection transistors with an integrated damper
diode.

I

Csat

This value is an indication of the peak collector current

in a 16 kHz TV horizontal deflection circuit for which
optimum dissipation and switching can be obtained. For
the diode the I

Csat

value should also be taken as the peak

current (ignoring any instantaneous spikes at the start of
scan). For higher frequency applications in monitors the
I

Csat

value reduces slightly.

V

CESM

The voltage capability of the deflection transistor

and damper diode are the same. As for discrete devices,
there is no need for excessive insets. The V

CESM

value

equates to the peak flyback voltage and, as for the V

RSM

of

a discrete damper diode, should not be exceeded under
any circumstance.

Outlines. Devices are available in three different outlines,
one non-isolated (SOT93) and two isolated/full-pack
designs (SOT199, TOP3D). The outline is defined by the
last letter in the type number, for example:

BU2508D

SOT93

non-isolated

BU2508DF

SOT199

isolated

BU2508DX

TOP3D

isolated

All three outlines are high quality packages manufactured
to Philips Total Quality Management standards.

Rbe

BU508A, BU2508A

BU2508D

BU508D

Rbe

BE resistor, damper diode

Specification

Application

Device Type

I

Csat

V

CESM

Outline

TV

Monitor

BU2506DF

3.5 A

1500 V

SOT199

21", 16 kHz

-

BU2506DX

TOP3D (SOT399)

BU508D

4.5 A

1500 V

SOT93

21-25", 16 kHz

-

BU508DF

SOT199

BU2508D

SOT93

BU2508DF

4.5 A

1500 V

SOT199

21-25", 16 kHz

14", 38 kHz, VGA

BU2508DX

TOP3D (SOT399)

BU2520D

SOT93

BU2520DF

6 A

1500 V

SOT199

25-29" 16 kHz

14", 48 kHz, SVGA

BU2520DX

TOP3D (SOT399)

Table 2  Philips Semiconductors Deflection Transistors with Integrated Damper Diode Selection Guide

346

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Operating Cycle

The waveforms in Fig. 2 below show the deflection coil
current and flyback voltage in a simplified horizontal
deflection circuit. In Fig. 2 the damper diode current is
highlighted. All the flyback voltage is applied across the
damper diode. These waveforms are valid for both the
traditional type of deflection circuit (Fig. 3) and the diode
modualtor deflection circuit (Fig. 4).

 

Fig. 2.   Horizontal Deflection Damper Diode

Operating Cycle.

During flyback the energy in the deflection coil, L

c

is

transferred to the flyback capacitor, C

fb

. With the transfer

of energy the voltage on C

fb

, hence the voltage across the

diode, rises sinusoidally until all the energy is transferred.
Now the current in L

c

is zero and the diode and C

fb

are at

the peak flyback voltage. The energy now transfers back
to L

c

. As the energy is transferred the voltage decreases

until all the energy is back in L

c

when there is no voltage

across C

fb

, and maximum current through L

c

. If there was

no diode present, this operation would continue with the
energy transferring back to C

fb

with the voltage continuing

to decrease until all the energy in L

c

had been transferred;

the peak voltage now reversed. But with the damper diode
in place across C

fb

(see Figs. 3 & 4), as the voltage falls

negative the diode will be forward biased and tend to
conduct.

Consider now the application requirement which is to
establish a peak negative current in Lc before the start of
the next scan. As the decreasing voltage on C

fb

tends to

zero so the current in L

c

reaches a peak negative value and

the next scan can start. The transfer of energy into the
capacitor has to be stopped during the scan, hence the
addition of the damper diode.

Most TV & monitor display circuits will employ an element
of over-scanning; this means at the start of diode
conduction the beam will be off-screen. Over-scanning is
introduced to reduce the effect of any spurious switching
characteristics as the diode switches.

Power Dissipation

There are two significant factors contributing to power
dissipation in a damper diode: forward recovery and
on-state forward bias. Reverse recovery and reverse bias
losses are negligible in this application. As a general rule,
the total dissipation is half forward recovery and half forward
bias.

To explain this further we have to consider the

operating cycle of the diode in detail.

scan

Idiode

ILc=Idiode

Idiode

ILc=Ic

flyback

flyback

flyback

voltage

flyback

voltage

deflection

coil current

Fig. 3.   Traditional Deflection Circuit.

Fig. 4.   Diode Modulator Circuit Example.

Lc

Cfb

Cs

Lsat

Vcc

E.H.T.

Line Output
Transformer

Horizontal
Deflection

Coil

Smoothing
Capacitor

Damper

Diode

+

-

Deflection
Transistor

Linearity Coil

Lc

Cfb

Cs

Lsat

Vcc

E.H.T.

Line Output
Transformer

Horizontal
Deflection

Coil

Smoothing
Capacitor

Damper

Diode

+

-

Deflection
Transistor

Linearity Coil

Cmod

Lmod

Vmod

347

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Forward Recovery. As the voltage goes negative the
electric field builds up across the diode. The device design
and process technology determine the point at which
conduction starts. At the start of conduction the voltage is
a maximum: the forward recovery voltage, V

fr

. A detailed

view of the damper diode voltage and current at the start
of diode conduction is given in Fig. 5 below. As the current
flows the voltage across the diode drops to its steady-state
V

F

value; the time this takes is called the forward recovery

time, t

fr

.

Fig.5.   Damper Diode V & I Waveforms.

The values for V

fr

and t

fr

are application dependent. In

general, V

fr

is 

 20V; t

fr

is 

 500ns for V

F

to fall to 2V; and

the rate of rise in diode current, dI

F

/dt, will be between 25

- 90 A/

µ

s. A ‘good’ damper diode will not only have low V

fr

and low t

fr

but as a result, it will also allow the current to

switch to the diode faster, giving a higher dI

F

/dt.

Forward Bias. As the beam scans from the left towards
the centre the voltage drop across the diode is determined
by the device V

F

characteristic for a given L

c

current. As

the beam scans from left to right the diode current
decreases.

Measurement of the V

F

is not possible in the application.

The best indication of the losses comes from the maximum
hot V

F

information contained in the datasheets.

Reverse Recovery & Reverse Bias. To the right of centre
screen L

c

current becomes positive and, hence, current no

longer flows through the damper diode. In reverse recovery
the damper diode does not experience any high current -
high voltage characteristic that would be a cause of
significant dissipation.

During flyback the diode is reverse biased, another possible
cause of dissipation.

The combined effects of reverse

recovery and reverse bias are negligible in comparison to
forward recovery and forward bias.

Picture Distortion

The diode does not start to conduct until the forward
recovery voltage is approached: a device with a high
forward recovery voltage, V

fr

, will take longer to start

conduction than a device with a low V

fr

. A delay in the start

of diode conduction means that the deflection coil current
is dominated by the flyback capacitor, C

fb

at the start of the

scan. This can cause a visible distortion to the left-hand
side of the display.

The voltage across the diode modulates the voltage across
the coil. For a device with a long forward recovery time, t

fr

,

the diode forward recovery characteristics will affect the
voltage across the deflection coil at the start of the scan.
This can also cause a visible distortion to the left-hand side
of the display.

For display circuit optimisation it is essential that the
requirements for the damper diode are understood and
taken into account in device selection.

time

time

Vfr

VF

IF

dIF

dt

tfr

348

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

TV Deflection Circuit Examples

349

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

4.2.1  Application Information for the 16 kHz Black Line

Picture Tubes

With the introduction of the black line picture tubes new
drive circuits are required. To have full benefits, the EHT
voltage and beam current must be increased. This section
describes the horizontal deflection and EHT generation.
Some hints for vertical deflection and video amplifiers are
given as well.

Summary

This section describes the horizontal deflection circuitry of
the

black

line

picture

tube

A66EAK022X11

and

A59EAK022X11. To take full advantage of this new tube
it must be driven at 27.5kV @ 1.3mA. This implies that in
an ordinary combined EHT and deflection stage in the no
load condition, zero beam current, the high voltage
increases to about 29.5kV. The main change to this circuit,
compared with existing circuits, is the line output
transformer (AT2077/34) uses four layer DSB technology.

For the vertical deflection a minor modification on PCALE
report ETV8831 is given. The video output stage suited to
this tube is described in PCALE report ETV8811.

1.  Introduction

One step in improving picture quality is the introduction of
the black line picture tube. With this tube day-time TV
viewing with a bright high contrast picture becomes
possible. To achieve this the picture tube is provided with
a dark screen and increased EHT power capability by
means of an invar shadow mask.

When the 45AX black line picture tube is compared with
the existing 45AX tubes the following modifications in the
application must be made.

-Increase of the EHT power to 27.5kV @ 1.8mA beam

current.

-Increase of the cut off voltage to 160V.

To cope with this high EHT power demand, a new line output
transformer has been developed (AT2077/34). The main

part of this section is dedicated to the horizontal deflection.
For supply, vertical deflection and video amplifier details
reference will be made to separate reports.

Special care is taken to suppress certain geometrical
picture

distortions

which

otherwise

would

become

noticeable at the increased levels of dynamic EHT load
variations. These distortions are the result of oscillations
in the line output stage.

All measurements and circuits are based and tested on the
66FS picture tube.

Since the 59FS tube is electrically

identical to the 66FS tube this circuit is also suited for the
59FS picture tube. With some minor circuit modifications
(component values) this circuit is also suited for 33" picture
tubes.

2.  Circuit Description

The horizontal deflection board is built up of four major
parts, see Fig. 1.

Fig. 1.  Block Diagram of Horizontal Deflection Board.

In high end TV sets a lot of low voltage supply current is
required. In this design a separate transformer in parallel
to the line output transformer is foreseen for the generation
of these auxiliary supplies.

In applications where this

auxiliary power is not required this part can be omitted by
simply leaving out the additional transformer. The other
parts of this horizontal deflection are more or less classic.

351

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

2.1  Drive Circuit

Fig. 2.  Drive Circuit

The horizontal drive circuit is a classical transformer
coupled inverting driver stage. When driver transistor T1
is conducting energy is stored in the transformer. When
T1 is turned off the magnetising current continues to flow
in the secondary side of the transformer thus turning on the
deflection transistor.

At this time the voltage on the

secondary side of the driver transformer is positive
(V

BE

+I

B

xR6). When the driver transistor turns on again this

secondary voltage reverses and will start to turn off the
deflection transistor. At the same time energy is stored in
the transformer again.

During this turn off action the forward base drive current
decreases with a controlled dI/dt, thereby removing the
stored charge from the deflection transistor.

The dI/dt

depends on the negative secondary voltage and the
leakage inductance. As a rule of thumb, the deflection
transistor stops conducting when its negative base current
is about half the collector peak current.

To prevent the deflection transistor from turning on during
flyback due to parasitic ringing on the secondary side of the
driver transformer a damper resistor is connected in parallel
with the base emitter junction of the deflection transistor.

Also at the primary side of the driver transformer a damper
network is added (R5 & C10) to limit the peak voltage on
the driver transistor.

D5 is added for those applications where in the standby
mode the deflection stage is turned off by means of
continuous conduction of the driver transistor.

The

explanation is as follows:

When T1 is suddenly made to conduct continuously, a low
frequency oscillation will occur in C9 and the primary of L3.
As soon as the voltage at pin 4 of L3 becomes negative T2
starts

conducting

until

the

driver

transformer

is

demagnetised. This will cause an extremely high collector
current surge. D5 prevents pin 4 of L3 going negative and
so this fault condition is avoided. For those applications
where this condition cannot occur, D5 can be omitted.

2.2  Deflection Circuit

The horizontal deflection stage contains the diode
modulator which not only provides east-west raster
correction but also inner pincushion correction, picture
width adjustment and EHT compensation. It is not easy to
achieve optimum scan linearity over the whole screen.
Either the linearity inside the PAL test circle is good and
outside the circle the performance is poor, or the average
performance over the whole screen is good but inside the
test circle deviation is visible.

In this application the

S-correction capacitors C15 and C16 are balanced in such
a way that a good compromise for the scan linearity is
achieved.

352

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 3.  Deflection Circuit

As already stated in the introduction, due to high beam
current in combined EHT and deflection stages picture
distortions will occur.

One of these effects is the so called cross-hatch "noses",
visible as horizontal phase ringing just below each
horizontal white line. During a bright horizontal line the EHT
at the picture tube decreases. In the next flyback the picture
tube capacitor is recharged by the line output transformer.
This energy is taken from the S-correction capacitor, which
must be recharged via the primary winding of the line output
transformer. This action has a resonance of a few kHz and
thus oscillation is visible at the screen.

To avoid this a dip rectifier is connected in parallel with the
S-correction capacitor (D9, C14, R8). The energy taken
from the S-correction capacitor can now be recharged by
C14.

Another geometry distortion is the "Krückstockeffekt". Due
to trapezium correction the EW-drive signal applied to L6
can be discontinuous. This will cause amplitude ringing at
the top of the screen. An effective way to damp this ringing
is a resistor in series with the EW-injection coil.

The consequence of the above mentioned measures is that
the drive reserve of the diode modulator has decreased.
To compensate for this a separate winding of the line output
transformer is connected in series with the deflection coils.

2.3  EHT Generation

For an optimum performance the black line picture tube
must be driven at an increased EHT of 27.5kV @ 1.3mA

av

.

This implies that the EHT in the no load condition, zero
beam current, will be about 29.5kV.

To generate this

increased EHT a newly designed line output transformer is
used with a 4-layer diode split EHT section.

From an

integrated potentiometer the adjustable focus and grid 2
voltages are taken.

Also the frame supply voltage (26V) and video supply
voltage (180V) are taken from the line output transformer.
The auxiliary windings of this transformer can be connected
rather freely so that a diverse range of auxiliary supplies
can be obtained. The only restriction is that the RMS value
of the current in a given winding may not exceed 2A.
Furthermore the supply current for the heater is obtained
from this transformer just like the

Φ

2 feedback pulse

(positive) and a (negative) pulse to synchronise the SMPS.

353

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

2.4  Auxiliary Supply

Fig. 4  Auxiliary Supply

When more auxiliary power than can be handled by the line
output transformer is required, an auxiliary supply
transformer, as shown in Fig. 4, is a good alternative. Such
an extra transformer in parallel with the primary winding of
the line output transformer is an efficient way to generate
low voltage high current supplies. As the transformer is
optimised for this purpose no additional stabilisation is
required.

Due to the high inductance of the primary winding no
influence on the collector current is noticeable. Output
voltages are very close to the target values (fine adjustment
with primary taps) and have low Ri (HT line is stabilised).

2.5  Additional Circuit Information

12V supply:
The SMPS used in this concept delivers 16V unstabilised.
This needs to be regulated to supply the sync processing
IC which operates at 12V. This regulation can be done on
the sync processing board or the horizontal deflection board
since this also acts as a power distribution board.

Tuning voltage:
The tuning voltage is created simply by means of a series
resistor R1 and a 30V reference diode located at the tuning
board.

EHT compensation:
For proper picture performance it is essential that EHT
information is available to compensate picture width and
height for EHT variations. For this reason the aquadag is
connected to the foot point of the line output transformer.
This point is connected to ground by C18 and to the 26V
by a non linear resistor network (R12, D11, R13, R14). This
network is designed in such a way that it matches with the
non linear impedance of the line output transformer and
C18 matches with the picture tube capacitance. Thus the
voltage available at the foot point of the line output
transformer is a good representation of the EHT variation.
This EHT information is sent to the geometry processor
TDA8433. This information can also be used for beam
current limiting. It must then be fed to the video processor
for contrast/brightness reduction.

354

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 5.  Circuit Diagram (continued on next page)

355

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 6  Circuit Diagram (continued from previous page)

356

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

3.  Oscillograms

Oscillogram 1:
In this oscillogram the lower trace is the voltage across the
deflection transistor (200V/div). The middle trace is the
current in the horizontal deflection coil (1A/div). The upper
trace is the collector current in the deflection transistor
(2A/div). The time base is 10

µ

s/div.

Remarks:
At the end of flyback there is a negative overshoot at the
collector voltage. This is caused by the relative slow forward
recovery of the damper diode. A part of this current is
reverse conducted by the deflection transistor. About 12

µ

s

after the start of the scan the deflection transistor is turned
on and starts reverse conducting and takes over a part of
the current in the damper diodes. See also oscillogram 3.

Oscillogram 2:
The upper trace is the voltage across the deflection
transistor (200V/div).

The lower two traces are the

minimum and maximum voltage in the diode modulator
(cathode D8) with nominal EW and amplitude settings
(50V/div). The time base is 10

µ

s/div.

Oscillogram 3:
In the upper trace the current in the upper diode is shown
(1A/div). The middle trace is the current in the lower diode
(1A/div). The time base is 10

µ

s/div.

Remarks:
12

µ

s after the start of the scan the deflection transistor is

turned on. Current in the diode modulator is then taken
over by the deflection transistor. See also oscillogram 1.

Oscillogram 4:
In the upper trace the collector voltage of the driver
transistor is shown (100V/div). The middle trace is the base
drive current of the deflection transistor (1A/div). The lower
trace is the base emitter voltage of the deflection transistor
(5V/div). The time base is 10

µ

s/div.

Remarks:
The overshoot at the collector voltage of the driver transistor
is damped by R5 and C10. The current spike in the base
drive current (marked with *) is the reverse conduction of
the deflection transistor during the forward recovery of the
damper diode. See also oscillogram 1.

357

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

4.  Vertical Deflection, Synchronisation
and Geometry Control

The vertical deflection, synchronisation and geometry
control circuits are based on an existing PCALE report (ref
3). Because for this application another tube and line output
transformer are used some minor modifications are
required (component values), see Fig. 7.

- Due to the increased deflection current, the vertical
feedback resistor must be decreased: one of the 2.2

resistors becomes 1

.

-

Due

to

the increased

beam current,

the

EHT

compensation network at pin 24 of the TDA8433 needs to
be

modified:

120k

 

 100k

,

82k

 

 150k

,

27k

 

 33k

, 68 nF 

 10 nF.

- For additional phase shift pin 14 of the TDA2579 is biased
with a current from a negative voltage source (rectified from
the

Φ

2

feedback pulse). While this feedback pulse is smaller

than in the original circuit, the 240k

resistor must be

increased to 1.2M

.

Orientation values for the TDA8433 register settings are:

reg

hex

00

25

01

5A

02

07

03

2C

04

2B

05

16

06

16

07

15

08

22

09

21

0A

21

0B

0F

0F

04

Oscillogram 5:
Vertical deflection current (1A/div) and the output voltage
(pin 5) of TDA3654 (10V/div). The time base is 5ms/div.

Remarks:
The noise on the output voltage is cross talk from the line
deflection coils.

5.  Video Amplifiers

The gun of this picture tube is a new design and has its
optimum performance at a cut off voltage, V

CO

 = 160V. This

implies that the video supply voltage should be at least 20V
higher, so V

video

 

 180V. A video amplifier very well suited

for this purpose is the TDA6100.

The RMS voltage of the heater winding of the line output
transformer is V

10

 = 7.35V

RMS

, so a series resistor must be

used (3.9

; 400mW).

6.  References

Information

from

this

section

was

extracted

from

"Application information for the 16 kHz black line picture
tube A66EAK022X11 and A59EAK022X11"; ETV89010 by
Han Misdom.

1. "Some aspects of the diode modulator"; EDS7805 by

C.H.J. Bergmans.

2. "A synchronous 200W Switched Mode Power Supply

intended for 32kHz TV"; ETV89009 by Henk Simons.

3. "Deflection processor TDA8433 with I

2

C-bus control";

ETV8831 by D.J.A. Teuling

4. "Application of the TDA6100 video output stage";

ETV8811 by D.J.A. Teuling

358

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 7.  Vertical Deflection, Synchronisation and Geometry Control

359

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

4.2.2  32 kHz / 100 Hz Deflection Circuits for the 66FS Black Line

Picture Tube

This report contains a description of deflection circuitry
(horizontal 32 kHz, vertical 50-120 Hz) for the 66FS picture
tube A66EAK22X42. This design is intended for flicker free
TV applications. Provision is made to supply the power for
the frequency conversion box.

Summary

The 66FS picture tube is compatible but not identical with
the types of the 45AX range. To obtain the typical Black
line high contrast and high brightness, the beam current
and EHT must be increased at nominal operating
conditions. This higher EHT also improves the spot quality.
The deflection current is increased because of the higher
EHT and reduced sensitivity of the deflection unit.

In comparison with laboratory report ETV8713, describing
deflection circuits for 45AX, most modifications are found
in the horizontal deflection stage.

To generate the

increased EHT power a new line output transformer (LOT)
with a four layer EHT coil is used. To handle the higher
deflection currents two transistors are used in parallel and
also two flyback capacitors are used. We have also taken
the opportunity to introduce the TDA8433. This deflection
processor -in BiMos technology- is the successor of the
TDA8432.

The vertical deflection stage is redesigned in such a way
that vertical shift signals can be inserted without bouncing
effects. The insertion of vertical shift signals is necessary
in 100 Hz operation for a proper interlace.

1. Introduction

In this report a description is given of double line and frame
frequency (32 kHz; 100 Hz) deflection circuits for the 66FS

picture tube A66EAK22X42. The report is based on report
ETV8906, describing these circuits for the 78FS picture
tube

1

. By changing some component values the pcb for

the 78FS can also be applied to drive the picture tube
A66EAK22X42.

In the line output stage the output

transistor BU2508 is used.

2. General description

2.1 Block diagram

The block diagram is given in Fig. 1.

The main

interconnections are given as well. The separate blocks
can be recognised in the circuit diagram.

The separate H and V sync and V shift are available from
the frequency conversion box.

2.2 Circuit architecture

A key component in this set up is the deflection processor
TDA8433. The horizontal and vertical picture geometry can
be controlled by means of I

2

C bus commands. Because

this deflection processor has no vertical oscillator, there will
be no vertical deflection when there are no vertical sync
pulses applied to the set. For laboratory purpose a separate
vertical oscillator is added to make the monitor part a self
contained unit. When incorporated in a receiver this vertical
oscillator can be omitted. When there are no vertical sync
pulses, the guard circuit of the vertical output stage will
blank the video information. This prevents spot burn-in of
the tube.

Fig. 1  Block diagram

HORIZONTAL
OSCILLATOR

HORIZONTAL
DRIVER
 
AT4043/87

HORIZONTAL
DEFLECTION
& EHT
AT2077/33

TDA2595

VERTICAL
OSCILLATOR

DEFLECTION
PROCESSOR

TDA8433

EW DRIVER

AUXILIARY
SUPPLY

AT4042/32B

VERTICAL
DEFLECTION
& DC SHIFT
TDA 3654

H SYNC

V SYNC

I2C BUS

V SHIFT

361

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The vertical deflection stage consists of the well known
TDA3654 vertical output IC. To make vertical shift insertion
possible, the output stage is slightly redesigned. This ac
coupled output stage now has a quasi dc coupled
behaviour.

The EW driver is a voltage amplifier, acting as a buffer
between the deflection processor and the diode modulator.

The block "horizontal oscillator" consists of the TDA2595
with its

Φ

1 and

Φ

2 loop, the horizontal oscillator itself and

sandcastle generation. The other features of this ic are not
used.

Coupling between the TDA2595 and the deflection stage
is made by the horizontal driver stage. This stage is a
transformer coupled inverting driver stage.

The horizontal deflection stage is a classic concept. It
consists of a combined deflection and EHT generation. It
also comprises linearity correction, S-correction, inner pin
cushion correction and a dc shift circuit.

The LOT

(AT2077/33) belongs to the transformer family DSB (diode
split box) and has four EHT layers. It delivers the following
voltages:

* EHT

= 27.5 kV @ 1.3mA

* Focus

= 0.22 - 0.30 x EHT

* Vg

2

= 0.011 - 0.033 x EHT

* Heater

10.4V

RMS

* Video supply

= 192V

* Frame supply

= 28V

*

Φ

2 ref. pulse

= +40V

pp

Furthermore the LOT has some taps which can be useful
when the application is modified.

In parallel to the primary winding of the LOT the auxiliary
supply transformer (AT4043/32B) is located. This auxiliary
supply delivers the following voltages:

*

+5V @ 5A

*

+15V @ 1A

*

-12V @ 1A

These supply voltages are intended for the digital and
analog signal processing circuits.

The philosophy behind this circuit needs some further
explanation.

It is very difficult to generate exactly 5V at the output of an
SMPS or LOT. Due to an optimum winding design of this
kind of transformer, the voltage ratio per turn is high (2 - 5V
per turn).

This implies that a stabilizer is required.

A

switching post regulator adds to the circuit complexity and
cost. A dissipative series stabiliser needs at least 2V, so
for a 5A supply the losses are already 10W.

The auxiliary transformer used in this concept is optimised
for generating these low voltages at high currents. The
winding design is such that no stabilizer is required after
the rectifier. Due to the high primary inductance of this
transformer the collector current increase of the deflection
transistor is negligible.

If the auxiliary loads are low, this auxiliary supply
transformer can be omitted and the unused taps of the LOT
can be used to generate these voltages.

3. Circuit description

Using circuit diagram blocks the total concept will be
explained. This will be done with reference to the function
blocks of Fig. 1. The complete circuit diagram is given in
Figs. 11-13.

3.1 Vertical oscillator

As already stated in section 2.2 this vertical oscillator can
be omitted in a final design. The circuit is shown in Fig. 2.

This oscillator is the well known astable multivibrator built
up around T8 and T9. This oscillator is free running at 45 Hz
and can be synchronised up to at least 120 Hz. T7 is an
additional sync transistor and is ac coupled to the vertical
sync signal (TTL level).

Fig. 2  Vertical oscillator

362

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

3.2 Deflection processor TDA8433

The TDA8433 is an analog, I

2

C bus controlled, deflection

processor.

It generates the vertical deflection current

waveform and the EW (East-West) waveform.

The

necessary corrections on these waveforms are I

2

C bus

controlled. This ic also includes some DACs and ADCs.
They can be used for control functions of other circuitry

2

.

The resistor at pin 4 determines the reference current for
this ic. Pin 2 is the vertical sync input. At the capacitor at
pin 5 (C-flyback) a triangle waveform is generated which is
used for internal timing. This signal is used to generate the
vertical sawtooth at pin 22 (C-saw). At pin 23 (C-amp1) a
storage capacitor of the amplitude stablisation loop is found
whose voltage determines the amplitude of the sawtooth.
The V-sync input can only handle unequal spacings of the
pulses if there is a 2-sequence (e.g. Teletext 312-313 lines).
A 4-sequence from the 100 Hz box cannot be handled by
the amplitude loop.

The vertical sawtooth is internally connected to the
"geometry control" section. In this section S-correction,
vertical shift and linearity correction are added to the
sawtooth by I

2

C commands. The amplitude is controlled

by pin 24 (EHT-comp) to compensate for EHT variations.

From here the signal goes to one input of the internal error
amplifier. The other input is connected to pin 21 and the
output to pin 20. By means of an I

2

C command the external

input pin can be selected as an inverting or non-inverting
input. This provision is made to handle both non-inverting
and inverting vertical output stages.

The block "geometry control" also generates the EW
parabola. The I

2

C bus controllable functions are: parabola,

corner, trapezium and picture width. By means of the signal
at pin 24 this signal is corrected for EHT variations. The
EW drive output is available on pin 19.

On the digital side of this IC we find the following functions:

Pin 15 (SCL) is the Serial CLock and pin 14 (SDA) is the
Serial DAta. Pin 1 is the address pin and can either be
connected to ground or +12V.

The three external DA

converters can be controlled by the bus: DACA, DACB &
DACC. With DACA the horizontal free funning frequency
of the TDA2595 can be adjusted. The other two DACs (pin
7 & 6) are not used. They can be used for H-shift and
H-phase control. See appendix A.

Pins 9 and 10 are output switch functions: not used in this
application. When pin 10 is programmed high, it can be
used as an input pin.

Together with pin 17 it forms a

comparator. Pin 10 is connected to the

Φ

1 voltage of the

TDA2595 and pin 17 to the reference voltage. In this way
an I

2

C bus signal is available whether the horizontal

oscillator is in centre, locked and mute or coincidence so
information can be sent to the IN-input. This also makes
automatic f

O

adjustment possible.

The supply part of this IC contains 4 pins. Pin 18 is ground
for the geometry and sawtooth part: pin 13 is ground for the
output stages and I

2

C bus. Pin 12 is the +12V input and at

pin 16 an external capacitor is required for filtering the +5V
(internally generated).

Fig. 3  Deflection processor TDA8433.

363

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

3.3 Vertical output stage

The vertical output stage is controlled by the well known
TDA3654. To make this stage suited for 100 Hz TV some
modifications of the ordinary solution are required. The
circuit is shown in Fig. 4.

A damper network is located in parallel to the vertical
deflection coil. The values depend on the characteristics
of the deflection unit. The line ripple that is injected from
the horizontal deflection coil is damped by the series
connection of R55 and C48. R55 reduces the line ripple to
an acceptable value. C48 is added to block the relatively
low vertical deflection voltage in order to limit the dissipation
in R55.

A resonant circuit is created by C48 and the

inductance of the deflection coil. R54 is a critical damper
for this circuit to minimise excessive oscillations after the
vertical flyback.

The deflection current is sensed by two 1.5 

resistors in

parallel and fed back to the deflection processor.

The

network C36, R45 and C35 is added for a stable loop
transfer because of the non resistive load at the output of
the TDA3654.

The output stage is ac coupled. The dc bias point is fixed
by the resistors R60 and R61. By the V-shift setting of the
TDA8433 vertical shift of the picture is possible.

An additional shift circuit is connected in parallel to the dc
shift circuit to make an alternating frame shift possible. It
consists of T11 and its series elements. When T11 is
conducting a small dc current will flow through the deflection
coil. Due to the S-correction of the vertical deflection current
a smaller current is required at the top and bottom than in
the middle of the tube to guarantee proper interlacing
across the whole screen. Therefore, the waveform of the
shift current is derived from the parabola voltage of C49. A
potentiometer is provided because this interlace setting is
critical.

The drive signal required for this alternating frame shift is
generated by the 100 Hz conversion box.

If two independent shift signals are needed, the whole
circuit must be duplicated.

3.4 Horizontal oscillator

The horizontal oscillator used is the TDA2595.

The

horizontal sync signal (TTL level) is divided and ac coupled
to the input pin 11. At pin 14 the reference current is set
by a 13 k

resistor.

The sawtooth capacitor for the

oscillator is connected to pin 16. The free running frequency
is 31.25 kHz and determined by the value of its capacitor
and the reference current. By varying the reference current
the free running frequency can be adjusted. This is done
using the DAC-A output (pin 8) of the TDA8433 via resistor
R25, see section 3.2.

Fig. 4  Vertical output stage

364

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

This oscillator is locked to the incoming sync signal by a
PLL (Phase Locked Loop).

The starting point of the

horizontal sawtooth is compared with the horizontal sync.
If this starting point is not in the middle of the horizontal
sync pulse, an error signal will appear at pin 17. Via R27
the current of pin 14 is affected and thus the horizontal
phase can be locked. The loop filter consists of C25, R28
and C26.

The output of the oscillator is internally connected to a
second PLL

Φ

2 and to a phase shifter. The phase shifted

signal is available via an output stage at pin 4 (horizontal
output). This signal drives the deflection stage. A feedback
signal of the deflection stage is applied to the other input
of the

Φ

2 phase detector (pin 2). In this way the horizontal

flyback of the deflection stage is locked to the oscillator and
thus to the sync as well. The loop filter of

Φ

2 consists of

one capacitor at pin 3. This second PLL has a much larger
bandwidth to compensate for the storage time variations in
the deflection transistors.

At pin 6 a two level sandcastle pulse is available. It is mixed
with the vertical blanking signal of the TDA8433 or the
flyback of the TDA3654 to generate a three level
sandcastle. See also the description of TDA8433 section
3.2 and TDA3654 section 3.3.

Pin 7 is the mute output. This signal is sent to the TDA8433
so that "oscillator locked" information is available at the I

2

C

bus.

As these kinds of ic are sensitive to supply pollution
provision is made for a local supply filter R21, C18 and C19.

For layout recommendations see section 4.

3.5 Horizontal drive circuit

The horizontal drive circuit is a classical transformer
coupled inverting driver stage. When driver transistor T1
is conducting, energy is stored in the transformer. When
T1 is turned off the magnetising current continues to flow
in the secondary side of the transformer thus turning on the
deflection transistor.

At this time the voltage on the

secondary side of the driver transformer is positive
(V

BE

+I

B

*R6). When the driver transistor turns on again this

secondary voltage reverses. At the same time energy is
stored in the transformer again.

During this turn off action the forward base drive current
decreases with a controlled dI

B

/dt, thereby removing the

stored charge from the deflection transistor. The dI

B

/dt

depends on the negative secondary voltage and the
leakage inductance. When the drive circuit is designed
properly, the deflection transistor stops conducting when
its negative base current is about half the collector peak
current.

Fig. 5  Horizontal oscillator

365

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 6  Horizontal drive circuits

To prevent the deflection transistor from turning on during
flyback due to parasitic ringing on the secondary side of the
driver transformer a damp resistor is connected in parallel
with the base emitter junction of the deflection transistor.

Also at the primary side of the driver transformer a damp
network is added (R4 & C5) to limit the peak voltage on the
driver transistor.

Fig. 7  Horizontal deflection

366

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

3.6 Horizontal deflection

The horizontal deflection is the classical deflection stage
with the diode modulator which not only provides the EW
raster correction but also inner pincushion correction. Due
to the high frequency in combination with large currents
some problems do appear here. The horizontal deflection
coil needs 10.4A peak-to-peak. This results in a collector
peak current of 6-7A, too much to handle with one
BU2508A. So, two transistors are used in parallel. If the
print layout is made in a proper way no special precautions
are required to use this type of transistor in a parallel
configuration. (NB the circuit was constructed before the
BU2525A became available.)

For the flyback capacitor the current is too high as well. So,
here, also, two devices are used in parallel.

The

S-correction capacitors do not have problems in handling
the current.

There are two possible solutions for the damper diodes.
The BY359 is a high current damper diode available in
isolated and non-isolated TO220 packages. This device
has been re-designed for operation as a damper diode
specifically for 32 kHz deflection systems. An alternative
solution is to place a third diode in direct parallel with the
collector-emitter’s of the deflection transistors. This option
allows two cheaper axial diodes to be used in the modulator,
eg BY328. This option is shown in Fig. 7.

For full performance of scan linearity a horizontal dc shift
circuit is incorporated. In an ordinary TV set the horizontal
off centre of the picture tube is compensated by the phase
shift of the horizontal oscillator. This, however, introduces
a linearity error in the deflection. In many cases this error
is acceptable; if not, it can be compensated by means of
an adjustable linearity corrector.

Fig. 8  East - West amplifier

The most proper way of picture alignment is the following:
the linearity corrector is only used for compensating the
linearity error caused by the resistive part of the impedance
of the horizontal deflection yoke. The off centre of the tube
is compensated by a shift circuit. Therefore, a dc shift circuit
is incorporated. This circuit has been built up around L5.

With P1 the amount of shift current can be adjusted and
with S1 the polarity can be selected. The horizontal shift
can be made bus controlled by using DAC-B or DAC-C of
the TDA8433. A suggestion for a suitable interface is given
in Appendix 2.

3.7 East - West correction

Fig. 9  EHT generator

The EW waveform is generated by the deflection processor
TDA8433. An external amplifier feeds this correction to the
horizontal deflection stage. It is injected in deflection via

367

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

L2.

The possible corrections are: picture width, EW

parabola,

corner

correction,

trapezium

and

EHT

compensation.

The EW amplifier is shown in Fig. 8.

It consists of a

Darlington power transistor, T6, a differential amplifier, T4
& T5, and a feedback network R13 R14. R12 is added for
proper dc bias. Because this amplifier has a non real load,
special attention is paid to loop stability. Across T6 there
is a miller capacitor, C14. The line ripple current of L2 flows
mainly through C15 and R16.

3.8 EHT generation

The darker glass requires a higher EHT power for an equal
light output. An increase of only the beam current has two
disadvantages: a larger spot size and a higher drive from
the video amplifiers. An increase of only the high voltage
would come in conflict with the legislation on X-ray radiation.

As a compromise an EHT of 27.5kV @ 1.3mA is chosen.
A new design of LOT is used, see Fig. 9. This LOT is a
four layer diode split box (DSB) design with extra high
voltage capability. From an integrated potentiometer the
adjustable focus and grid 2 voltages are taken.

3.9 Auxiliary supply

Some of the auxiliary supplies are taken from the LOT such
as heater, video and frame supply. The other auxiliary
supplies are taken from a separate transformer.

The

philosophy behind this concept is explained in section 2.2.

The auxiliary transformer is connected in parallel to the
LOT. On the secondary side of this transformer the auxiliary
voltages are taken.

These outputs supply the signal

processing circuitry (5V @ 5A, 12V @ 1A, -12V @ 1A).

The primary inductance of this transformer is relatively high,
so the increase of collector current in the deflection
transistor is low. To adjust the output voltage the primary
winding has some taps. Due to the relative high ESR of
the 5V smoothing capacitors a

π

-filter is required.

With moderate current levels all the auxiliary supplies can
be taken from the LOT.

4. PCB design considerations

For general information see reference 3.

4.1 TDA2595

The following tracks and pins of the TDA2595 are critical
and need special attention:

* The track length at pin 14 - reference pin - to its

peripherals should be kept as short as possible.

Fig. 10  Auxiliary supply

368

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

* The peripheral components connected to pins 14, 16,

3, 17 and 15 should be connected directly to the ground
of this ic.

* The ground track of this ic may not carry current from

other parts of the set.

* As this ic is sensitive to high frequency ripple on the

supply rail, local decoupling is essential.

4.2 TDA8433

The following tracks and pins of the TDA8433 are critical
and need special attention:

* The components connected to pins 4, 5, 12, 16, 19, 22

and 23 should be connected to the analog ground (pin
18) and as close as possible.

* The track length of the pins 4, 5, 22 and 23 should be

as short as possible.

* The ground track of this ic may not carry current from

other parts of the set.

* Local decoupling is essential because this ic is

sensitive to high frequency ripple on the supply rail.

4.3 Horizontal deflection and supplies

This kind of circuit carries currents with high dI/dt. The loops
that contain these currents should have an area as small
as possible to limit magnetic radiation. Examples are the
loop of deflection coil with the deflection transistors, diodes
and flyback capacitors. Also the loop formed by smoothing
capacitor C43, primary of LOT and deflection transistor
should be kept small.

In case of rectifiers the ground track between transformer
winding and smoothing capacitor may not be a part of any
other ground track.

4.4 Drive circuit

To ensure current balance in the deflection transistors, the
base and emitter tracks of the two transistors should be as
similar as possible to create the same impedances for both
transistors.

5. Oscillograms

All oscillograms were taken under nominal load conditions
of the auxiliary supply and 1mA beam current.

Oscillogram 1:

In this oscillogram the upper two traces show the average
deflection current (2A/div) and the voltage across the
deflection transistors (200V/div). The peak V

CE

is 1244V.

The lower two traces are the minimum and maximum values
at the mid-point of the diode modulator (100V/div) due to
EW modulation.

Remarks:

At the end of flyback there is a negative over shoot at the
collector voltage. This is caused by the forward recovery of
the damper diode.

Oscillogram 2:

The lower trace is the current in the deflection transistors.
The upper trace is the current in damper diode D4 and the
middle trace is the current in the upper flyback capacitors
(C7 + C8). All current settings 2A/div.

Remarks:

At the end of flyback the current in the flyback capacitor is
taken over by the damper diodes.

Due to parasitic

capacitance and inductance ringing occurs. 5

µ

s later there

369

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

is a negative current in the deflection transistor. This is
reverse conducting of the base-collector of the transistor
caused by the fact that the base drive is already turned on.

Oscillogram 3:

In this oscillogram the upper trace is the current in the lower
flyback capacitors C9 + C10. The second trace is the
current in the diode D5. In the bottom part the current in
the bridge coil is given and the deflection current is shown
once more as a reference. All settings 2A/div.

Oscillogram 4:

In this oscillogram the deflection transistor I

C

and V

CE

are

given as a reference. The upper trace is the current in the
third diode D3. As soon as the deflection transistor is turned
on the current of D3 is taken over by the transistors. All
current settings 2A/div.

Oscillogram 5:

The upper trace is the V

BE

of the deflection transistors

(5V/div).

The middle trace is the I

B

of the deflection

transistors (1A/div). The lower trace is the V

CE

of the drive

transistor T1 (50V/div).

Remarks:

The over shoot at the rising edge of the driver transistor is
caused by the leakage inductance of the driver transformer.
By means of the damping network R4, C5 this over shoot
is limited. This network is chosen in such a way that the
ringing is critically damped.

The base drive circuit is designed in such a way that the
peak of the negative base drive current, I

Boff

, is

approximately half the collector current, I

C

. During turn off

the V

BE

of the deflection transistor should remain negative.

To achieve this the ringing is damped by R7 and R8.

Oscillogram 6:

This split screen oscillogram was made with two different
time base settings. In the upper grid the minimum and
maximum values of the flyback pulses across C9 + C10 of
the diode modulator are given under nominal conditions.
The lower grid shows the amplified EW drive signal
(collector T6 5V/div) and the output of the TDA8433 (pin 19
2V/div).

Remarks:

370

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

At the collector of T6 some line ripple is visible.

Oscillogram 7:

The upper trace gives the vertical sync signal (1V/div,
100

µ

s/div). The middle trace is the sandcastle (5V/div,

100

µ

s/div). The lower trace is the sandcastle during vertical

scan (5V/div, 10

µ

s/div).

Remark:

This three level sandcastle pulse is the sum of the two level
sandcastle of the TDA2595 and the vertical blanking of the
TDA8433.

Oscillogram 8:

The upper trace is the generated sawtooth at pin 22 of the
TDA8433 (5V/div). The second trace is the output signal
of the error amplifier of the TDA8433 pin 20 (5V/div). The
third trace is the sawtooth current in the vertical deflection
coil (1A/div). The lower trace is the output signal of the
vertical output amplifier TDA3654 pin 5 (20V/div).

Remark:

Due to the L/R of the vertical deflection coil the current in
the coil can not follow the fast retrace time of the sawtooth
generator. The output amplifier clamps after the flyback to
2xVb. When the control loop locks after the flyback, a slight
voltage overshoot can be found at the output of the
TDA3654. This is damped by C48, R55 and R54.

Oscillogram 9:

The lower trace is the voltage at the foot point of the line
output transformer (10V/div). This signal is a representation
of the EHT variations needed by the anti breathing.

The upper trace is the EW waveform at T6 (5V/div). On
the EW waveform a correction signal is added to prevent
the picture from breathing.

6. References

Information

for

this

section

was

extracted

from

"32kHz/100Hz deflection circuits for the 66FS Black Line
picture tube A66EAK22X42"; ETV89012 by J.v.d.Hooff.

1. P.C.A.L.E.

report

ETV8906.

"32 kHz / 100 Hz

deflection circuits for the 78FS picture tube"

by Mr.

J.A.C. Misdom.

2. C.A.B. report ETV8612. "Computer controlled TV; the

deflection processor TDA8432" by Messrs. E.M. Ponte
and S.J. van Raalte.

3. C.A.B. report ETV8702: "EMC in TV receivers and

monitors" by Mr. D.J.A. Teuling.

371

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

7. Circuit diagrams

Fig. 11  Horizontal Deflection and EW Amplifier

372

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 12  Deflection Processor and Horizontal & Vertical Oscillators

373

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 13  Auxiliary supply, EHT Generator and Vertical Output Stage

374

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Appendix A

Fig. A1  Bus controlled dc shift

The deflection processor TDA8433 has three DAC’s. In
this application only one DAC (DAC-A) is used. In this
section some ideas are given to use the other two DAC’s.

DAC-B is a 6-bit DAC, like DAC-A, and is controlled by the
H-PHASE register. Its output voltages can be controlled
from 0.5V to 10.5V typically. The output resistance is less
than 1k

.

DAC-C is a 2-bit DAC and is controlled by the VTRA and
VTRC bits. Its typical output characteristic is:

VTRA

VTRC

Output voltage

Output resistance

0

0

12V

7.5k

0

1

5.3V

3.3

1

0

1.7V

1.0k

1

1

0.3V

<1k

All settings in the set that are now manual controls can be
made I

2

C bus controlled by using one of these DAC’s. The

only restriction is that the alignment is controlled with a dc
voltage. Otherwise an interface circuit is needed.

375

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Appendix B

As a degaussing circuit the following suggestion is given.

Fig. B1  Degaussing Circuit

Parts list:

Dual degaussing PTC

:

2322 662 96116

Degaussing coil

:

3111 268 20301

Oscillogram 10:

Current in degaussing coil 2A/div.

376

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

SMPS Circuit Examples

377

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

4.3.1  A 70W Full Performance TV SMPS Using The TDA8380

The following report describes the operation of a 70W full
performance switched mode power supply for use in
television.

The TDA8380 SMPS control ic is used in a mains isolated,
asynchronous flyback converter configuration.

The power supply incorporates the following features:

· Full mains range (110 - 265Vrms)

· AT3010/110LL SMPS transformer

· BUT11A switching transistor

· Standby (suppression of output voltages by 50%)

· Standby supply (5V, 100mA)

· Facility for synchronisation (using a pulse transformer)

· Short start-up time (less than 0.3 sec at 220Vrms)

· Provision for anti-breathing circuit

· Output voltages 147V/57W, 25V/5W, 16V/7.5W

A full description of circuit operation, a circuit diagram and
circuit performance figures are given.

A further additional circuit diagram is included in which the
above power supply incorporates a power MOS switching
transistor for a mains range of 90 - 135Vrms. Also details
are given on an extension to the power capability of the
supply, up to 120W output, for European mains using the
bipolar switching transistor.

1. Introduction

The TDA8380 control ic has been designed to enable safe,
reliable and efficient SMPS to be realised at minimum cost
for TV and monitor applications. For further information on
the ic, reference should be made to ‘Integrated SMPS
Control Circuit TDA8380’ (ref. 1).

The

70W

design

employs

a

currently

available

AT3010/110LL foil wound transformer and the BUT11A
bipolar switching transistor.

Feedback is taken from the secondary side to give less than
1% line and load regulation over the whole range. The
output voltage is suitably divided down and compared in an
error amplifier with a fixed reference voltage. The error
amplifier then drives an optocoupler, which passes the error
signal to the primary side directly into the TDA8380. A
secondary side error amplifier is used to reduce the
importance of the optocoupler characteristics.

Standby is achieved by injecting a signal into the feedback
loop on the secondary side, suppressing all output voltages
by 50%. A 5V standby supply is available relieving the need
for a separate standby supply. During standby conditions
the line output oscillator is halted to disconnect the main
B+ load.

Synchronisation of the power supply to external control
circuits is possible through a loosely coupled pulse
transformer.

Appendix A gives a circuit diagram and a short description
of the use of the power MOS switching transistor in the 70W
supply. The mains range is 90 - 135Vrms.

Appendix B gives notes on how to extend the power
capability of the 70W power supply to 105W, 32 kHz and
120W, 30 kHz. Both these power supplies have a mains
range of 180 - 265Vrms.

2. TV SMPS design

Flyback versus Forward Converter.

Although this ic can be applied in any type of SMPS, for
example in FORWARD (or Buck) or FLYBACK (or
Buck-boost) converters, the preferred SMPS type for TV
applications is the Flyback converter.

This is mainly

because it allows for mains isolation of the TV chassis.
Other advantages it affords in comparison with a forward
converter are:

(a) It does not need ‘crow-bar’ protection against the input

voltage appearing across the chassis in the event of
short-circuit failure of the power switching transistor.

(b) The load permissible on auxiliary output supplies is not

related (and, therefore, not limited) by the main line
timebase supply (B+ voltage) load. Thus the auxiliary
supply is available when there is no B+ voltage load,
and this is important for servicing and fault finding on a
TV chassis.

With the Flyback converter, however, mains pollution and
visible interference require to be minimised by careful PCB
layout and customarily a mains input filter is used.

Discontinuous

versus

Continuous

Current

Mode

Operation:

Operation can be in the ‘continuous’ or in the ‘discontinuous’
current mode.

In the discontinuous mode the power switching transistor
is not allowed to switch on until the SMPS transformer core
is demagnetised. This has the advantages:

379

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

(a) It is inherently a safer mode of operation, since for all

operating conditions, other than a dead-short of the
output or a very severe overload transient occurring
when the power transistor is conducting near peak
current, it is not possible for the core to saturate. To
protect for these two exceptions, the very fast (second
level) current protection is included.

(b) Steep current pulse edges at switch-on are eliminated

(important from point of view of Radio Frequency
Interference problems).

Satisfactory performance, in terms of voltage regulation
and input mains voltage range, can be obtained using the
discontinuous mode which is, therefore, preferred for TV
applications.

For this type of converter, the voltage transfer function can
be deduced from the Volt-second equilibrium condition for
a unity turns ratio transformer:

(1)

where:

Taking into consideration the transformer turns ration n =
Np/Ns, then:

(2)

where:

= oscillator period
= transformer primary turns
= transformer secondary turns
= on time of output transistor
= conduction time of output rectifier
= output B+ voltage
= input DC voltage

The limit condition for ‘discontinuous’ current mode
operation occurs at minimum input voltage and maximum
load.

Thus, for this condition

so that

(3)

The power output (including losses supplied via the
transformer) is:

(4)

where:

= primary inductance of transformer
= frequency of operation

from which general expressions for d, Lp and f can be
obtained in terms of the power.

Thus, for a given transformer (n,Lp) the value of dmax can
be calculated from (3) and the required frequency of
operation from:

(5)

The peak current in the power switching transistor is given
by:

(6)

The peak voltage across the power switching transistor
(excluding ringing) is:

Since most transformers produce ringing, a clamp circuit
may be necessary and in order to slow the rising edge of
the voltage a snubber circuit is usually required.

3. General circuit description

This section gives an overall general description of the
power supply.

Fig. 1 shows a block diagram of the circuit functions.
Descriptions of specific circuits will be carried out in the next
section.

3.1 Mains filter

This is positioned at the ac mains input. Its function is to
minimise mains pollution resulting from RFI generated
within the SMPS due to fast transients of voltage and
current. It is designed to meet the required mains pollution
regulations (C.I.S.P.R. Special Committee on Radio
Frequency Perturbation).

3.2 Rectification and Smoothing

The mains voltage is rectified and smoothed to provide a
dc supply which is switched through the SMPS transformer.

3.3 SMPS Controller

This drives the power switching transistor regulating the
frequency and the amount of current pulsed through the
transformer primary.

Thus, the controller regulates the

energy transferred to the secondary windings. A voltage
feedback signal which is representative of the output
voltage is fed back to the controller in order to regulate the
output voltage.

At start up the supply voltage for the

controller ic is derived from the rectified mains. A ‘take-over’
winding on the transformer supplies the ic once normal
operation is established.

3.4 Transformer secondary circuits

The dc output voltage is obtained by simple rectification
and smoothing of the transformer secondary voltage.

f

=

dmax

2

×

Vimin

2

2

×

P

×

Lp

Ip

=

Vi

×

d

Lp

×

f

Vi

+ (

n

×

Vo

)

Vi

×

d

×

T

=

Vo

×

d

×

T

Vo

Vi

=

d

d

d

= (

1

d

)

n

×

Vo

Vi

=

d

d

T
Np
Ns
d
d
Vo
Vi

d

= (

1

d

)

n

×

Vo

Vimin

=

dmax

(

1

dmax

)

P

=

Vi

2

×

d

2

2

×

Lp

×

f

Lp

f

380

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

3.5 Feedback Attenuator

The output voltage to be regulated is fed back via an
attenuator to the error amplifier.

3.6 Error Amplifier

The error amplifier compares the feedback signal with a
fixed reference voltage to give an error signal which is
passed to the primary side via an optocoupler.

Mains isolation is provided within the optocoupler and the
power transformer, between the input primary and
take-over, and the output secondary windings.

4. Detailed circuit description

This section gives a detailed description of each of the
functions of the power supply circuit (Fig. 2).

4.1 Mains Input and Rectification

Diodes V1 to V4 rectify the ac mains voltage and, together
with a smoothing capacitor C13, provide a dc input HT
voltage for the SMPS. R1 is placed in series with the input
to limit the initial peak inrush current whenever the power
supply is switched on when C13 is fully discharged.

C1 and C3 together with L1 form a mains filter to minimise
the feedback of RFI into the mains supply.

C6 to C9 suppress RFI signals generated by the rectifier
diodes.

Asymmetrical mains pollution is reduced by the insertion of
R26 and C18 between primary ground (‘hot side’) and
secondary earth (‘cold side’) of the power supply. These
components are required to satisfy the mains isolation
requirements.

4.2 Control ic TDA8380

This section describes the function of each pin of the
TDA8380 and its associated components.

Pin 1 - Emitter of Forward Drive Transistor:

The TDA8380 incorporates a direct drive output
stage consisting of two NPN transistors.

The

collector and emitter of each are connected to
separate pins of the ic (pins 1,2,15,16). The forward
base drive current for the switching transistor is
limited by R15. C16 acts as a voltage source equal
to the zener voltage of V7 and is used for the
negative base drive.

When the reverse drive transistor is turned on the
zener voltage appears across L2, causing stored
charge to be removed from the switching transistor,
thereby

ensuring

correct

storage

time

and

minimum transistor dissipation during turn-off.

Pin 2 - Collector of the Forward Drive Transistor:

Connected through a resistor to the ic reservoir
capacitor.

Pin 3 - Demagnetisation Sensing

Demagnetisation

protects

the

core

of

the

transformer against saturation by sensing the
voltage across a transformer winding.

In this

application operation is in the discontinuous current
mode. Sensing is achieved by resistor R10 from
the take-over winding of the transformer to pin 3 of
the ic. Fig. 3 illustrates demagnetisation operation
at low mains where the turn-on pulse is delayed
until

demagnetisation

of

the

transformer

is

complete.

Pin 4 - Low Supply Trip:

Connected to the ic ground (pin 14), the low supply
protection level is 8.4V.

Pin 5 - IC supply:

On power-up the ic supply is first drawn from C15.
This capacitor is charged up directly from the
rectified mains through bleed resistors R21 and
R24.

Once the SMPS is running, the supply for the ic is
taken over by the SMPS transformer. R12 prevents
peak rectification of spikes. V8 rectifies the flyback
signal which is smoothed by C15 to give a dc level.
R16 limits the current drawn by the forward drive
transistor. R9 and C5 provide a filtered dc supply
to pin 5.

Pin 6 - Reference Current:

This pin allows the external setting of the IC current
source. This is set by R11.

Pin 7 - Voltage Feedback:

This is the input to the internal error amplifier for
primary side feedback. Feedback in this case is
taken from the secondary side and passed through
a separate secondary side error amplifier where it
is compared with a reference voltage. The error
signal is then passed directly into the duty pin (pin
9) via an optocoupler.

To

ensure

that

the

Transfer

Characteristic

Generator (TCG) in the ic remains optional a
‘pseudo’ feedback voltage from the ‘take-over’
winding of the SMPS transformer is applied to pin
7. R3 and R4 provide a nominal 2.5V level at pin
7 during normal operation of the power supply.

Pin 8 - Stability:

This is the output of the error amplifier which is left
open circuit.

381

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Pin 9 - Duty:

This is the input to the pulse width modulator and
is directly driven by the optocoupler transistor. R2,
C2 and C27 form a frequency compensation
network.

Pin 10 - Oscillator:

The frequency of the internal oscillator is set here
by C4 and R11 on pin 6 (nominally 25 kHz).

Pin 11 - Synchronisation:

This is achieved by a loosely coupled pulse
transformer

passing

sync

pulses

from

the

secondary to the primary side of the power supply
(see later section).

Pin 12 - Slow Start:

The slow start option is selected here by the use of
capacitor C11. Fig. 4 shows a typical slow-start.

Pin 13 - Over-Current Protection:

To keep the collector current of V10 within safe
operating

limits

over-current

protection

is

incorporated into the power supply. R27 is the
collector current monitoring resistor providing a
negative going signal. This voltage is then shifted
to a positive level with respect to ground potential
by a reference current from the ic flowing through
R14. An extra voltage shift is provided by R34
which varies with the ic supply voltage. This is
particularly useful in output short circuit conditions.
If the main regulated output is progressively short
circuited, then all SMPS transformer flyback
voltages will decrease, respectively, and hence the
shift level of the current protection function leading
to lower short circuit output currents (current
foldback). The signal at pin 13 is then compared
with two internal voltage levels to provide the two
forms of current protection.

(The addition of R34 may not work in other power
supplies using the TDA8380 because careful
attention has to be given to the ratio of current
through R34 to current output at pin 13 and to the
start-up sequence of the power supply at different
mains and loads. Conventional current protection
can be achieved by omitting R34 and changing R14
to 13 k

and V13 to BYW95C).

Fig. 5 illustrates the current protection waveform.

Pin 14 - Ground

Pin 15 - Emitter of Reverse Drive Transistor:

Grounded to the emitter of the switching transistor.

Pin 16 - Collector of reverse drive transistor.

4.3 Error Amplifier

The external error amplifier consists of two PNP transistors,
V15 and V16, connected to form a high gain comparator.
The stabilized reference voltage for the comparator is
derived from a series-connected resistor R28 and zener
diodes V5 and V6 at the SMPS output. The voltage to be
compared with the reference voltage is a sample of the
147V output derived from a potential divider (R29, R31 and
R5). The optocoupler is directly driven with the error signal
from the comparator. The level of the 147V output can be
adjusted by R5.

4.4 Standby

In standby mode the power supply output voltages are
suppressed to 50% of their normal level.

Standby is

achieved by reducing the reference voltage used in the
comparator circuit and thus the power supply regulates at
a lower output voltage level. A +5V dc level is applied to
the standby input, which turns transistor V14 on.

The

voltage reference level is halved from 12.4V to 6.2V and
the main 147V output is reduced to 75V. In this condition
the power supply still maintains a 5V standby supply. In
the television receiver during standby the line output
oscillator should be halted to disconnect the main 147V
load.

To return the power supply to its normal operating levels,
the standby input is removed.

The speed of transition to and from standby is controlled
by the time constant of R13, R32 and C23.

4.5 Synchronisation

Synchronisation of the power supply is achieved by a
loosely coupled mains isolated pulse transformer. Sync
pulses of +5V are applied to the sync input at a frequency
slightly lower than the free running frequency of the power
supply. R6 limits the current in the primary winding of the
pulse transformer and R8 loads the secondary winding.
The pulse transformer differentiates the sync pulse input to
create negative and positive going transitions of the sync
input. The ac coupling (C14) shifts the entire signal positive
and the internal circuitry of the ic clamps the negative going
excursions to 0.85V.

The positive going spikes are

removed by a transistor in the ic and the negative going
spikes are used to synchronise the oscillator. Fig. 6 shows
plots of how the power supply is synchronised to a lower
frequency.

A series RC network (C28, R35) is connected from pin 11
to ground to filter out high frequency noise which may
interfere with synchronisation.

If the synchronisation option is not to be used, the sync
input may be left open circuit. Another alternative is to
short-circuit C14 and remove T2.

382

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

4.6 Beam Current Limiting (BCL)

Anti-breathing technique, whereby the 147V voltage is
reduced for increasing beam current in such a manner as
to compensate for the increase in picture size due to the
fall in EHT. The components concerned are R30, C24, R7.

4.7 Power Switching Transistor

Pulsing of the transformer is carried out by the BUT11A
bipolar power transistor under the control of the TDA8380.

Fig. 7 shows plots of the current through and voltage across
the BUT11A. The base drive waveforms are shown in
Figs. 8(a)-(b) during standby conditions.

Fig. 9 is a plot of the instantaneous power dissipated in the
transistor during turn-off.

4.8 Snubber Network

A snubber network has been added across the switching
transistor to protect it from excessive switching dissipation
and to suppress ringing on the SMPS transformer.

The dV/dt limiter consists of V9, C17, R22 and R23. When
V10 is switched off, part of the energy stored in the leakage
inductance of the SMPS transformer will charge C17. When
V10 is switched on again this energy is dissipated in R22
and R23. When such a network is omitted, this energy must
be dissipated in the switching transistor itself.

R22 and R23 are calculated in such a way that they also
act as a network, damping the residual energy in the winding
capacitance of the transformer when the secondary
rectifiers have stopped conducting.

4.9 Outputs

There are three secondary rectifiers;

the 147V (scan

voltage for deflection stage), 25V (audio supply) and 16V
(small signal supply). The 5V standby supply is derived
from a regulator connected to the 16V output.

R25 and C25 form a damping network to dissipate the
energy in the high frequency ringing on the B+ secondary
winding. Fig. 10 shows the current through and voltage
across the B+ winding.

A short circuit or overload of these outputs will cause the
power supply to repeatedly go through the slow start
procedure.

5. Performance specification

Mains input:

110 - 265V ac

50 - 60 Hz

Outputs:

B+

147 V

57 W

Audio

25 V

5 W

L.T.

16 V

7.5 W

Standby

5 V

0.5 W

Switching frequency:

25 kHz

Efficiency (normal operation):

72 %

Line and load regulation:

0.1 %

Start-up time (220V rms,

300 msec (B+)

full load):

225 msec (+5 V standby)

Max. collector current:

2.3 A

Max collector voltage:

870 V

Forward base current: Normal operation

0.30 A min.
0.39 A max.

Standby (*)

0.20 A min.
0.24 A max.

ic supply voltage:

Normal operation

18.5 V min.
21.0 V max.

Standby (*)

8.8 V min.
9.7 V max.

Ripple output voltage (110V rms, 50 Hz, full load):

B+

L.T.

Audio

Standby

Frequency

(mV)

(mV)

(mV)

(mV)

25 kHz

600

230

145

20

199 Hz

230

50

60

-

* The only load in this condition is the standby load.

6. Output short-circuit foldback

The SMPS incorporates duty factor foldback protection for
short circuits on the 147V (B+) output. Fig. 11 shows the
plot of the foldback characteristic for increasing load on the
147V output using conventional protection and current
foldback techniques.

8. References

Ref. 1. "Integrated SMPS Control Circuit TDA8380".

Philips Components Publication Number 9398 358
40011
December 1988.

383

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Appendix A

70W FULL PERFORMANCE USING POWER MOS (BUK456-800A)

A power MOS switching transistor was incorporated into
the 70W power supply design. This new power supply has
a mains range of 90 - 135V rms. A circuit diagram is given
in Fig. 12. Oscillograms of the power MOS gate and drain
switching waveforms are given in Figs. 13 and 14.

Alterations to Existing 70W Bipolar Transistor Design

(i) The value of C17 in the snubber is smaller, hence less
dissipation in the snubber resistors. The dV/dt at the drain
is now higher, but the power MOS transistor has much lower
switching losses than the bipolar transistor.

The smaller value of C17 causes the 100 kHz ringing on
the primary winding of the SMPS transformer after flyback
to be more prevalent. This ringing has an effect on the
demagnetisation function causing premature operation. To
overcome this a resistive divider network has been used
on pin 3 to minimise the effect of ringing.

(ii) The value of R14, the current protection shift register,
is increased. This is to compensate for the fact that the
power MOS transistor does not suffer from storage effects
at turn-off.

(iii) The filtering on the take-over winding for the ic supply
is increased.

This is because the average current

demanded by the gate drive of the power MOS is much less
than in the case of the bipolar transistor. Energy in switching

spikes on the flyback voltage cannot be channelled into the
gate of the power MOS and so has to be dissipated in
increased filtering.

A smaller value for the gate-source resistor is used to
provide extra loading on the transformer winding.

(iv)

C13 is increased to filter the higher current ripple at

low mains voltages.

(v)

A larger heatsink for the switching transistor is

necessary due to the higher on-resistance of the power
MOS transistor facilitating the need for higher heat
dissipation.

Performance Specification

Mains supply:

90 - 135V rms

Switching frequency:

20.8 kHz

Outputs:

B+

147 V 57 W

Audio

25 V

5 W

L.T.

16 V

7.5 W

Standby

5 V

0.5 W

Regulation:

0.1 %

Peak drain voltage:

650 V

Peak drain current:

2.3 A

Start-up time

300 msec

384

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Addendum

Alternative Cheap BUT11A Base Drive Design Eliminating 5 W Zener Diode

Fig. A1 - Alternative Cheap BUT11A Base Drive.

An alternative base drive for the power switching transistor
(BUT11A) has been designed to eliminate the 5W zener
diode 1N5339B (V7) to reduce cost.

Alternative Low Cost Base Drive

This design has not been implemented into a PCB design
yet, but the existing PCB design requires little alteration to
accommodate the changes.

When the forward drive resistor is turned on at the start of
the duty cycle, a current defined by R15 passes through
C16 and into the base of the BUT11A. The 1 k

resistor

in parallel with C16 discharges the capacitor when the
SMPS is off to help starting at low mains. When the reverse
drive transistor is turned on, the 5.1V zener diode appears
across C16 clamping the voltage across it, thus a reverse

current flows from the base of the BUT11A through C16
and L2 turning off the power switching transistor. Some
forward current does flow through the 5.1V zener diode, but
not enough to warrant a power zener. The BAX12A diode
across the inductor is to prevent large negative going spikes
appearing at pin 1 of the ic; this can also be used in the
previous base drive.

Base Measurements

Forward base current:

250mA min
400mA max

Standby mode

190mA min

(standby load only)

250mA max

BUT11A storage time:

1.4

µ

sec

Fig. 1 - Block Diagram of SMPS with Secondary Side Feedback via an Optocoupler

MAINS

MAINS

RECTIFICATION

SMPS

TRANSFORMER

SMPS

CONTROLLER

SECONDARY

RECTIFICATION

CIRCUITS

FEEDBACK

ATTENUATOR

ERROR

AMPLIFIER

FILTER

ISOLATION

START-UP

SUPPLY

DRIVE

TAKE-OVER SUPPLY

FEEDBACK

OUTPUTS

Vref

MAINS SUPPLY

385

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 2 - 70W Full Performance TV SMPS (Bipolar switch)

Fig. 3 - 70W Full Performance TV SMPS (Power MOS switch)

386

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 4 - Demagnetisation operation. Oscillogram of the
Oscillator Waveform and Transformer Primary Current

Fig. 5 - Slow Start. Oscillogram of the Voltage at the Slow

Start Pin (TDA8380) and Current through the Switching

Transistor.

Fig. 6 - Current protection. Oscillogram of voltage at Pin

13 (TDA8380) and the Current through the Switching

Transistor

Fig. 7 - Synchronisation. Oscillogram of Oscillator

Voltage, Voltage at Pin 11 (TDA8380) and Sync Input

Voltage

Fig. 8 - Switching waveforms. Oscillograms of the current

through and voltage across BUT11A.

Fig. 9 - BUT11A Base Waveforms. Oscillograms of

Base-Emitter Voltage and Base Current Waveforms for

BUT11A

387

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 10 - BUT11A Base Waveforms During Standby.

Oscillograms of Base-Emitter and Base Current

Waveforms for BUT11A in Standby Conditions

Fig. 11 - Turn off dissipation in BUT11A. Oscillogram of

Collector-Emitter Voltage and Collector Current for

BUT11A

Fig. 12 - B+ Winding. Oscillogram of Voltage Across and

Current Through the B+ Winding

Fig. 13 - Plot of Duty Factor Foldback using Current

Feedback and Conventional Foldback Techniques

Fig. 14 - Oscillogram of Drain-Source Voltage and Drain

Current for Power MOS Transistor (BUK456-800A) at

Full Load, 110V rms

Fig. 15 - Oscillogram of Gate Current and Gate Source

Voltage for Power MOS Transistor (BU456-800A) at Full

Load, 110V rms

388

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

4.3.2  A Synchronous 200W SMPS for 16 and 32 kHz TV

Description of 200W Switched Mode Power supply
incorporating the AT3020/01A transformer, the TDA8380
control IC, one opto-coupler for feedback, synchronisation
and remote on/off. The SMPS is intended for TV and can
be synchronised to 32 kHz by flyback pulses of either 32
or 16 kHz. A 5V standby supply is also provided.

1. Introduction

In this report a description is given of a 200W SMPS circuit
and evaluation board, incorporating the TDA8380 control
IC, the new SMPS transformer AT3020/01A and the
BUW13 power switching transistor. The SMPS is a flyback
converter that has been designed to handle a maximum
average output power of 200W and a peak power of 250W.
The free running frequency of the SMPS is 34 kHz, while
it can also be synchronised down to 32 kHz by either 16 or
32 kHz line flyback pulses.

For testing purposes no

pre-loading is required. The circuit operates at a mains
input voltage of 185-265V

RMS

, 50-60Hz.

The output

voltages are 150V, 32V and 16V. The 150V output is short
circuit proof, while the 32V and 16V can be made
short-circuit proof.

A new wire wound SMPS transformer has been designed.
This transformer, the AT3020/01A with an EE46/46/30 core
(grade 3C85), has a new winding technique which makes
the RFI screens superfluous. Thanks to its low leakage
inductance, the efficiency of the system is high (88%).

The control IC TDA8380 receives its start-up supply from
the rectified mains voltage. The takeover supply is derived
from a flyback and forward auxiliary winding on the
transformer.

This IC offers many attractive operating

features: it directly drives the power switching transistor and
incorporates several overload protections.

Due to its high current h

FE

, the BUW13 was chosen as the

power switching transistor. For an output power of up to
150W, the BUT12 can be used. A CNG82 opto-coupler is
used for feedback. If synchronisation is not required, the
cheaper CNX82A can be used.

For the supply of some digital IC’s in the standby mode, a
small self-oscillating supply is used: the so called

µ

SOPS

(5V, 300mA). In the standby mode the output voltages will
be fully suppressed.

A printed circuit board (no 3634) is available incorporating
the 200W SMPS and

µ

SOPS but without mains filter.

2. Circuit description

2.1 Block Diagram

Fig.1 shows the block diagram of the 200W mains isolated
flyback converter.

Fig.1.   Block Diagram

Mains
Input
Circuit

u-SOPS
 

SMPS
Transformer
 

Opto
Coupler
 

Control
Circuit
 

Power
Switching
Transistor

Secondary
Rectifiers
 

Error
Amplifier
 

5V SB

150V
32V
16V

SYNC IN

STAND BY

220V

389

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig.2.   Basic Circuit Diagram

The 200W SMPS evaluation board does not contain an RFI
filter, fuses or a degaussing circuit. These components
should be located on the inlet of the mains cord into the TV
set. The mains input voltage is rectified by bridge rectifying
diodes and the dc supply to the SMPS transformer
(AT3020/01A) is smoothed by a 220

µ

F buffer capacitor.

The control IC TDA8380 derives its start-up supply from
this dc voltage and as soon as the IC supply voltage
exceeds a certain limit, the IC is initialised. Hereafter, the
duty factor of the SMPS power switching transistor
(BUW13) increases slowly from zero upwards and its rate
of increase is controlled until the SMPS output voltage
reaches its nominal level. The take over supply is derived
from a flyback and forward rectifier connected to an auxiliary
winding of the SMPS transformer. The SMPS is a flyback
converter that operates in the discontinuous mode. At the
secondary side the flyback voltage is rectified. One of the
output voltages is fed back via an attenuator circuit to the
error amplifier.

The error signal is sent back via the

opto-coupler circuit to the duty cycle control input of the IC
TDA8380.

For standby purposes the

µ

SOPS delivers a 5V supply. In

the standby mode the output voltages will be fully
suppressed. The SMPS runs at a fixed frequency of 34 kHz,
however, it can also be synchronised down to 32 kHz by
either 16 or 32 kHz line flyback pulses.

2.2 Basic Operation

Fig.2 shows the basic circuit of the mains isolated flyback
converter.

The control IC TDA8380 directly drives the power output
transistor. When the transistor conducts, a linear increasing
current flows

through the primary winding of the

transformer. As a consequence energy is stored in the

transformer. After switching off the transistor, the stored
energy is transferred into the load via diode D.

The

attenuated output voltage Vo is compared with the
reference voltage, REF, in the error amplifier. The error
signal is fed back via the opto-coupler to the control IC. By
controlling the duty cycle of the drive pulses the output
voltage Vo is kept constant.

The flyback converter under discussion has been designed
for the discontinuous current mode. The principle of this
circuit has already been described in chapter 2 "Switch
Mode Power Supplies". For a nominal output voltage of
150V, 185V

RMS

mains, a maximum load of 250W and a fixed

free running frequency of 34 kHz, the primary inductance
of the transformer can be calculated. The required primary
inductance is Lp = 420

µ

±

 10%.

An attractive feature of this SMPS is that it can be
synchronised down to 32 kHz by either 16 or 32 kHz line
flyback pulses.

3. Circuit diagram

The circuit diagram is given in section 8, Fig.3; detailed
information about several parts of the supply follows.

3.1 Mains input

The diode bridge D1 to D4 rectifies the mains input voltage
and the dc supply to the SMPS is smoothed by C5.
Capacitors C1 to C4 suppress the RFI generated by the
diodes in the mains bridge rectifier. If C5 is fully discharged,
the inrush current has to be limited by R1 to protect the
bridge rectifier diodes. During continuous operation of the
SMPS this resistor is for efficiency reasons short circuited

390

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

by a thyristor, THY1. After the soft start of the SMPS,
thyristor THY1 is fired continuously by the peak voltage
clamp of the SMPS via R3 and C6.

3.2 Start-up supply

The control IC TDA8380 receives its start-up supply from
the mains rectified voltage by the low wattage resistor R4.
The IC is initialised as soon as the voltage on the supply
pin 5 reaches 17V.

This takes approximately 1.5s

(Oscillogram 6). Shorter times are possible by lowering the
value of R4. During the time leading up to the initialisation
of the IC, the base coupling capacitor C10/C11 is
pre-charged.

So, the power switching transistor T1 is

switched off correctly during the start up period. With a duty
cycle from zero onwards, the SMPS starts up. The take
over supply is derived from a forward and flyback auxiliary
winding on the transformer (AT3020/01A). The forward
rectifying diode D7 ensures that a temporary decrease of
the supply voltage of the IC is restricted. After a while the
flyback rectifying diode D6 directly provides all the current
needed by the IC. During continuous operation of the SMPS
the supply voltage for the IC is about 17V.

3.3 Control IC

The integrated SMPS control circuit TDA8380 offers many
attractive operating features. It controls the SMPS power
throughput and regulation by pulse-width modulation. It
can directly drive the power switching transistor and it can
operate at a fixed frequency or a line locked frequency. A
detailed description is given in Reference [1]. The function
of each pin is described below.

Pin 1

Emitter of the forward drive transistor. It directly
drives the power transistor with a source current of
about 0.7A.

Pin 2

Collector of the forward transistor.

This pin is

connected via R14 to the supply. Resistor R14 and
R15 mainly determine the source current of the
power switching transistor.

Pin 3

Demagnetisation sensing.

For this

flyback

converter, operating in discontinuous mode, the
voltage across the SMPS transformer is sensed via
R12 and R13.

Pin 4

Low supply-voltage protection level. This pin is
connected to ground, so the min. V

cc

of the IC is set

at 8.4V.

Pin 5

IC supply. When the mains input is applied to the
SMPS, the IC supply reservoir capacitor C9 is
charged by a current determined by resistor R4.
When the voltage at pin 5 reaches 17V, the IC
initialises and diode D6 rectifies the flyback signal
from winding 10/11 of the SMPS transformer to
supply the IC with 17V.

Pin 6

Master reference current setting. Resistor R11 sets
the master reference current for the TDA8380 to
600

µ

A.

Pin 7

Voltage feedback and overvoltage protection. The
flyback signal from winding 10/11 of the SMPS
transformer is smoothed by D6/R7/C9, to give a dc
level that varies in proportion to variations in the
150V output. This level is reduced by the divider
R9/R10 and fed to pin 7.

Pin 8

In this application the feedback amplifier of the
TDA8380 is not used. However, an overvoltage on
pin 7 will still activate a protection and slow start
sequence.

Pin 9

Output of the error amplifier. Not used.

Pin 10 Oscillator. A 680pF capacitor C15 is connected to

this pin; together with resistor R11 (4k3) the
oscillator frequency is set to 34 kHz.

Pin 11 Synchronisation. The trailing edge of the positive

sync-pulses, which are superimposed on the linear
feedback signal, synchronise the oscillator.

Pin 12 Slow-start (capacitor C17) and maximum duty

cycle (R20).

Pin 13 Over current protection.

The over current

protection

safeguards

the

power

switching

transistor for being overloaded with a too high
collector peak current. For that reason resistors
R22 to R26 in the emitter circuit of the power
switching transistor sense the collector current.
This negative going signal is dc shifted into a
positive signal with respect to ground by a dc
current from pin 13 flowing through R21, while C18
removes the spikes.

Pin 14 Ground

Pin 15 Emitter of the reverse drive transistor, connected

to ground.

Pin 16 Collector of the reverse drive transistor. See drive

of the BUW13 SMPS power transistor.

3.4 SMPS Transformer

As

already

mentioned

before,

the

transformer

(AT3020/01A) has been designed to handle a maximum
output power of 200W and a peak power of 250W. The
nominal primary inductance is 420

µ

H. To keep the leakage

inductance (~2%) as small as possible, a turns ratio of 1:1
was chosen.

The magnetic circuit of the transformer

comprises two Ferroxcube E46/23/30 cores, grade 3C85.
The coil is built-up in layers of copper wire, separated from
each other by insulation foil. Thanks to a clever winding
design no screens had to be applied, and as a result, the
size of this transformer could be reduced significantly with
respect to the transformer described in Reference [2].

391

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The energy stored in the leakage inductance will be
dissipated in the dV/dT limiter (D8/C13/R19) and peak
voltage clamp (D5/C7/R5);

the energy stored in the

parasitic winding capacitance in the power switching
transistor T1 and damping networks (R6/C8 and R37/C28).

3.5 Power switching transistor

By fixing the primary inductance of the transformer and its
operating frequency, the collector peak current of the power
switching transistor is fixed. At a peak output power of
250W the I

c

peak is approximately 6.5A. On the other hand,

the maximum base drive is determined by the control IC
TDA8380: I

source max

= 0.75A. The BUW13 has a sufficient

high current gain and, moreover, the I

boff

could be kept within

the limit of the control IC: I

sink max

= 2.5A. For slightly lower

maximum power (150W) the BUT12 can be used as the
power switching transistor. Note that, in that case, current
sensing resistor R21 has to be reduced.

The correct forward drive of the transistor is provided by
the supply voltage of the IC and R14/R15, resulting in an
I

bon

of 0.7A. To obtain a correct negative base drive, the

bias voltage across C10/C11 is kept constant by three
BAW62 diodes (D9 to D11). During turn off, inductor L1
(1.7

µ

H) in combination with the bias voltage, determines

the negative base current (-dI/dt) of the power switching
transistor.

R17 and C12 damp the ringing of the

base-emitter and prevents parasitic switch on of T1 during
the flyback.

3.6 Secondary rectifiers

The three secondary flyback rectifiers deliver the 150V (line
deflection supply), 32V (audio supply) and 16V (small signal
supply). A 12V stabiliser is not provided on the PC board.
The load determines the dissipation in the rectifying diodes
and hence the size of the heatsink (D15) and copper area.
The number of electrolytic capacitors is determined by the
load (ripple current) and the ESR of the capacitors.

To prevent interference between the SMPS switching
frequency and the line frequency an L-C filter has been
added. The inductor is L2 while the capacitor is located on
the line deflection board. If the SMPS is running in the
synchronous mode, the filter action is not required and L2
can be replaced by a 1 

resistor. The feedback voltage

for the control circuit is taken in front of this L-C filter.

To prevent cross-talk, the audio supply is brought out
floating. The negative of the 32V supply is connected to
ground via R38 to prevent static charge of this transformer
winding if kept unused. If there is an overload on the 32V
or 16V supply, the currents in the secondary transformer
windings can be excessive before the over-current
protection of the IC is activated. The use of a fuse or fusible
resistor (1

 / 4W) at position J3 and a fusible resistor

(1

 / 1W) at J4 will make the SMPS short circuit proof also

on these two outputs.

3.7 Error amplifier

The error-amplifier consists of a single transistor T5. The
base of this transistor receives the filtered and divided
output signal while the emitter is connected to the reference
voltage (ZD3). The output current of this error-amplifier is
fed to the opto-coupler. As the current through T5 and hence
its gain will settle at a value inversely proportional to the
current gain of the opto-coupler, the SMPS loop gain will
be independent of tolerance or ageing of the opto-coupler.
The current through ZD3 is fixed by R42 at 2mA. By keeping
it constant, the temperature dependence of the Vbe of T5
is compensated by that of ZD3 [3].

3.8 Opto-coupler

For feedback and mains isolation an opto-coupler (CNG82)
is used. As already mentioned before, the opto-coupler is
driven in such a way, that the large variation of IC/IF of the
opto-coupler is filtered by means of R27 and C19. The
emitter of the transistor drives the output-amplifier T2. This
transistor is used for keeping the operating voltage of the
phototransistor constant; this keeps the bandwidth high.

Except for feedback, the opto-coupler is also used for
synchronisation. For this purpose, the sync pulses are
superimposed on the linear feedback signal. The slower
CNX82A can also be used at the expense of the
wave-shape and delay of the sync pulse. Then at 16 kHz
the maximum power will be restricted somewhat due to
unequal duty factors of the odd and even SMPS pulses.

For standby operation, the opto-coupler diode is driven in
forward (IF = 2mA) either by switch-on transistor T6 or by
externally driving resistor R43. In this mode the output
voltages will be switched off.

3.9 Standby supply

For the supply of some digital IC’s in the standby mode, a
small self-oscillating, current-mode controlled flyback
converter delivers 5V/300mA. It uses the same mains input
filter, bridge rectifier and RFI/safety capacitor C22 as the
main SMPS. For mains isolation and power conversion a
small transformer (AT3006/300) is used.

The power

switching transistor BUX87 requires a small heatsink [4].

4. Synchronisation

The SMPS can be synchronised down to 32 kHz by either
16 or 32 kHz (

±

4%) negative-going pulses on pin 5 of J17,

with a pulse width of 18% of the line time (Eg. line flyback
pulses). The amplitude of the sync-pulse measured at the
sync-input, should lie between 2 and 6V. The sync-pulses
are superimposed on the linear feed back signal. This can
only be done, if they do not affect the voltage stabilisation.
To obtain short rise and fall times of the sync-pulse at the
sync-input of the TDA8380, the CNG82(A) should be used.
Capacitor C16 ac couples the sync-pulses to pin 11 of the

392

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

TDA8380. The oscillator sawtooth is triggered by the trailing
edge of the positive sync-pulse at pin 11 and all subsequent
sync-pulses are ignored until the oscillator sawtooth is
completed. The oscillator is then inhibited until the end of
the next positive sync-pulse. The free-running oscillator
frequency is determined by R11 (4k3) and C15 (680pF).
Both components should be 1% tolerance types.

If synchronisation of the SMPS is not needed, the following
components can be deleted: C19, C35; R29, R27, R49,
R50, R51; D18, R19; T2. The opto-coupler CNG82 can be
replaced by the CNX82A. Jumpers J1 and J2 should be in
place.

5. Mains interference

RFI measurements are made of the SMPS (200W) together
with the

µ

SOPS and a mains input filter, consisting of the

AT4043/93 and two X-capacitors (220nF). The results must
stay below the limits of EN55013, which are drawn in the
graph shown later. The measurements just meet the limits.
If the SMPS is used with more than 165W input power,
measures must be included to meet the IEC552-2 standard
on mains pollution by higher harmonics.

6. Performance

INPUT

185-265V RMS

50/60Hz

OUTPUTS

150V 1.0A

LINE SCAN

STABILISED

32V 1.5A

AUDIO

UNSTABILISED

16V 0.2A

SMALL SIGNAL

UNSTABILISED

RIPPLE

150V

10mV

SWITCHING
FREQUENCY

peak to peak

20mV

100Hz

32V

150mV

SWITCHING
FREQUENCY

10mV

100Hz

16V

50mV

SWITCHING
FREQUENCY

10mV

100Hz

EFFICIENCY

88%

200W LOAD

SWITCHING

34kHz

FREQ.

7. Oscillograms

The oscillograms have been made at the following
conditions, unless otherwise indicated.

V

input

 = 220V RMS

Load = 200W

not synchronised.

Oscillogram 1. Collector Current and Collector Voltage of

the BUW13.

Oscillogram 2. Collector Current and Collector Voltage of

the BUW13.

Oscillogram 3. Base Emitter Voltage and Base Current of

the BUW13.

393

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Oscillogram 4. Voltage and Current at pin 13 of the

transformer.

Oscillogram 5. Voltage and Current at pin 19 of the

transformer.

Oscillogram 6. SMPS switch on behaviour.

Oscillogram 7. BUW13 Collector Current and Voltage at

short circuit 150V output.

Oscillogram 8. BUW13 Collector Current and 15.625kHz

sync pulses.

References

Information

for

this

section

was

extracted

from

"Synchronous 200W Switched Mode Power Supply for 16
and 32 kHz TV"; ETV89009 by H.Simons.

[1] Integrated SMPS control circuit TDA8380.

Philips Semiconductors Publication Number 9398 358
40011 Date: 12/88.

[2] ETV8711

A 200W switched mode power supply
for

32kHz

TV.

Author: H.Misdom.

Date: 01/09/87.

[3] ETV89003

Novel

optocoupler

circuit

for

the

TDA8380.

Author: H.Verhees.

Date: 2/89.

[4] ETV8834

A dual output miniature stand by power
supply. Author: H.Buthker.

394

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

8. Circuit diagram.

Fig.3

395

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions

and

Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

9. RFI measurement

396

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Monitor Deflection Circuit Example

397

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

4.4.1  A Versatile 30 - 64 kHz Autosync Monitor

This section describes the supply and deflection circuits for
driving the 15" FS M36EDR colour monitor tube.

Key

features of this monitor design are auto synchronisation,
full mains range, dc control, good picture stability and high
contrast. The circuit uses a low number of components
without making compromises to the performance.

1. Introduction

The increasing number of suppliers of video interface cards,
creates a variety of video standards. The most widely used
standard at this moment is the VGA mode. Already this
standard gives a choice of three different modes, giving
resolutions between 720x350 to 640x480 pixels.

The

horizontal frequency is fixed at 31.5 kHz, while the vertical
frequency varies between 60 and 70 Hz.

New standards, with resolutions up to 800x600 and even
1024x768 pixels, are becoming popular very rapidly,
although the old standards are still present on these new
interface boards.

This increase in resolution calls for larger screens,
compared to the nowadays widely spread standard 14"
tube, due to the minimum discernible detail at a convenient
viewing distance. Furthermore, the electronic drive circuits
of the picture tube have to be able to adapt to the various
standards.

As a successor of the standard 14" high resolution colour
picture tube, the 15" Flat Square M36EDR series tubes offer
a

noticeable

increase

in

useful

screen

area

(14": 190x262 mm2; 15": 210x280 mm2), while the total
cabinet size hardly increases, and offering a resolution up
to 1024x768 pixels (pitch is .28mm.). The M36EDR series
offers a wide range of deflection impedances and an
excellent performance with respect to convergence and
geometry

distortion,

resulting

in

simple

deflection

electronics. For the end user, the tube offers a very pleasant
flat and square screen, with hardly any disturbing visible
effects.

To display the new, as well as the old video standards, on
this new tube, the electronic circuits are becoming more
complex.

For example, to display 768 lines, without

disturbing screen flicker, the line frequency must be
increased to 57 kHz.

The horizontal deflection circuit

described in this report is able to synchronise over a
continuous frequency range from 30 to 64 kHz, while the
vertical frequency may vary between 50 and 110 Hz. The
circuit is built around the advanced monitor deflection
controller TDA4851, significantly reducing the component
count of the total circuit, while providing a high standard of
performance. The vertical deflection output stage is the

TDA4861.

This power operational amplifier offers the

designer great flexibility with respect to input signals and
supply voltages.

The increase in resolution also demands that the video
channels are able to drive the picture tube with ever higher
frequencies, due to the increasing amount of pixels on one
video line in a decreasing period of time (increase of line
frequency). For example, to display 1024 pixels on one line
at 57 kHz line rate, the video amplifiers must be capable of
handling dot frequencies up to 65 MHz.

This report covers the electronic circuits for driving the
horizontal and vertical deflection coils of a 15"FS tube, for
generating all the grid voltages necessary for this tube (the
cathodes are driven by the video amplifiers), and a full
mains range supply, generating the supply voltages.

2. Supply

This autosync monitor is equipped with a full mains range
switched mode power supply (90 - 265Vac) with a maximum
output power of about 90W

1

. This mains isolated power

supply is running asynchronous, because of the large
frequency range of the horizontal deflection stage.

To handle the required output power a new wire wound
SMPS transformer, the CE422v, was designed.

The

controller IC is the TDA8380

2

directly driving the power

switch BUT11A.

Feedback is obtained through an

opto-coupler circuit that senses the +155V output, the line
supply voltage. The output voltages of the SMPS are:

+ 155 V @ 350 mA Horizontal

deflection

and

EHT

generation

+ 10.5 V @ 450 mA Vertical deflection

- 10.5 V @ 650 mA Vertical deflection and CRT heater

+ 30 V

@ 30 mA

Vertical deflection (flyback)

+ 12 V

@ 400 mA Video, IC and small signal supply

The +12V supply is derived from the +17V supply rail by
means of a separate voltage stabiliser.

An extra winding on the transformer, not used in this circuit,
delivers a -17V supply.

The rectifier and smoothing

capacitor are not implemented in this design.

As

this

switched

mode

power

supply

is

running

asynchronous, additional measures are taken to prevent
interference. All output lines are equipped with LC or RC
filters.

399

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The +155V rail is protected against short circuit by means
of the TDA8380, while the +12V output is protected by the
IC voltage stabiliser. To make the low voltage outputs
protected against short circuit, fuses or non flammable
resistors are used in the output lines.

2.1 Degaussing

The demo monitor is equipped with a conventional
automatic degaussing circuit, making use of one duo PTC.
For full mains range application the inrush and steady state
current are just on the limit. If support is needed please
contact the local or regional sales/application office.

2.2 Provisions for full-mains range

To make the SMPS full mains range the following provisions
are made:

The slow start capacitor C15 is reduced to 0.47

µ

F to shorten

the start up time.

The overcurrent protection is extended in order to ensure
proper working of the IC with respect to the first trip level.

The IC supply capacitor C13 is increased to 220

µ

F to

prevent excessive voltage drop during start up.

3. Deflection

The deflection circuit is greatly simplified by making use of
the advanced monitor deflection controller TDA4851. This
is an upgraded version of the TDA4850 mainly with respect
to horizontal line jitter.

To accommodate a horizontal

frequency range from 30 to 64 kHz, the input frequency is
continuously monitored by an F/V converter, in order to
adapt the central frequency of the TDA4851. The minimum
and maximum frequencies of this circuit are limited by an
upper and lower clamp.

Fig. 1  The TDA4851 controller IC.

+12V

+12V

P60

R84*)

P55

R96

R95

R94

R92

R88

R89

P53

R87

R86

R85

R83

C69

C68

C67

C66

C65

C63

C62

T51

R82

R81

R80

R79

R78

IC52

CURRENT

OSCILLATOR

HORIZONTAL

FLYBACK

HORIZONTAL

DRIVE

HORIZONTAL

OUTPUT

MODE

OUT

VERTICAL

EW

OUT

EHT

COMP.

V-SYNC

H-SYNC

CLAMP PULSE

HEIGHT

HSHIFT

EW adj.

1M*)

33u

220n

10n

1n5

8K2

SMD

SMD

SMD

SMD

SMD

SMD

220n

120K

100n

BC 548

220n

1K8

1K8

180K

750K

3K9

10K

10E

10K

10K

16V

TDA4851

120K

120K

68K

68K

82K

82K

22K

400

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The TDA4851 drives a line driver stage and a, so-called,
T-on driver stage. The line driver is of the well known
transformer coupled non-simultaneous type, giving the
designer a free choice where to put the line output transistor
with respect to the supply voltage. The T-on driver stage
drives a switching transistor, synchronised with the
horizontal frequency to control the horizontal scan voltage.
The conducting period of this switch is kept constant over
the whole frequency range, resulting in a constant picture
width, independent of the scan frequency.

The TDA4851 also drives the vertical output stage
TDA4861.

DC coupling of the deflection coil to this

amplifier, together with the high linearity of the drive signals
from the TDA4851, offer an excellent linear vertical
deflection, without bouncing effects after a mode change.

East-west correction of the horizontal deflection and picture
width control is performed by the width control stage.

Horizontal S-correction is performed by one fixed capacitor,
plus a selection of three additional capacitors.

This

minimum set-up is chosen to keep the circuit simple, while
giving the minimum amount of distortion at four selected
frequencies. The S-correction capacitor selection circuit
drives floating FET switches.

Vertical S-correction is achieved by modulation of the
vertical amplitude control current with a parabola voltage.

The line output transformer AT2090/01 generates the
anode, focus and grid 2 voltages for the picture tube. The
built-in bleeder with smoothing capacitor provides an
excellent source for retrieving EHT information.

This

information is used to stabilise the picture width and height.

The primary winding of the line output transformer is also
used as the choke of the switch mode scan control stage.
This architecture has the advantage of using only four wire
wound components:

LOT,

bridge

coil, base

drive

transformer and horizontal linearity coil.

The auxiliary windings on the line output transformer deliver
supply voltages for the grid-1 circuit and video output stages
and provide information for the protection circuit.

The various circuits will now be discussed in detail in the
next sections.

3.1 Advanced monitor deflection controller
TDA4851

The heart of the deflection circuit is the advanced monitor
deflection controller, the TDA4851, see Fig. 1.

This

deflection controller is driven by separate horizontal and
vertical synchronisation pulses. Although the TDA4851 can
process a sync-on-green signal, this is not implemented in
this monitor. The polarity of these pulses can be chosen
freely, except for VGA modes, their amplitude must be TTL
level.

With these pulses, the horizontal and vertical

oscillators are synchronized. The horizontal output drives

the line driver, the vertical drive signals are connected to
the vertical output stage IC51. A parabola voltage for driving
the east-west correction stage and a clamping signal for
the video stages are also generated by the TDA4851.

3.1.2 Horizontal part

The horizontal oscillator is synchronized with the pulse on
pin 9: TTL amplitude, positive or negative polarity and
accepting

composite

sync

(sync-on-green

is

not

implemented in this design). The catching range is limited
to

±

6.5%. The oscillator frequency is set by C67 and the

dc current in pin 18, which in this application is set by a dc
current source, driven by the frequency to voltage
converter. Compared to the TDA4850, the current in pin
18 of the TDA4851 is approximately 10 times higher to
achieve a lower phase jitter.

The low-pass filter in the first phase locked loop is
connected to pin 17. In a single frequency application, the
values of the filter components are fixed. For a frequency
range from 30 to 64 kHz, the values of the filter components
are set by the lowest frequency, resulting in a less than
optimum response for the higher frequencies. For reasons
of simplicity, the filter is fixed here, but should be adapted
to the actual frequency for best response.

Fig. 2  Horizontal flyback pulse coupling to the

TDA4851.

The synchronised horizontal oscillator drives the second
phase locked loop, in which the horizontal flyback pulse is
used as feedback to position the horizontal drive pulse in
relation to the horizontal sync pulse. Low-pass filtering is
performed by capacitor C68 connected to pin 20. Phase
shift can be accomplished with a dc current in pin 20.

R105

D57

T54

C74

C73

C72

R104

R103

R102

R101

C61

D54

D53

R77

C60

CLAMPED FLYBACK PULSE OUT

NEGATIVE FLYBACK PULSE IN (1100Vpp)

+12V

680E

33u

100n

10E

16V

PH2369

18P

100K

18P

100K

100K

47P

5K6

C3V3

BZX79

BAW62

BAW62

401

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Nominal phase shift is set with resistor R96.

User

adjustable phase control is available through P55,
controlling the dc current in pin 20.

The horizontal flyback pulse is connected to pin 2. The
TDA4851 expects a positive flyback pulse, see Fig. 2. The
negative flyback pulse from the line output stage is inverted
and ac coupled to pin 2 of the TDA4851.

3.1.3 Vertical part

The vertical oscillator can be synchronized with a pulse on
pin 10 (or combined sync to pin 9) over a range of 50 to
110 Hz without adjustment and with constant amplitude
output signal. Frequency determining elements R89/C63
and the amplitude stabilisation loop capacitor C62, should
not be changed.

The output signals of the vertical part are two balanced
currents, available on pins 5 and 6. Both currents consist
of an equal dc part and an adjustable sawtooth part. The
adjustment is achieved by means of controlling the dc
current in pin 13. There are five signals which determine
the current in pin 13:

1.

R87 sets the nominal dc current;

2.

P53 allows user control of the picture height via R83;

3.

By means of R82, the amplitude control current is
modulated with a parabola current. In this way, vertical
S-correction is achieved. The disadvantage of this
method, is that the amount of S-correction is
dependent on the setting of the east-west control
potmeter P60.

4.

R84 compensates for a change of the east-west
correction voltage (explanation: when the east-west
voltage on pin 11 is changed by means of the ’EW
par.’ potmeter P60, the mean dc voltage on pin 11
changes, influencing the vertical amplitude via R82).

The influence of the east-west setting on the vertical
amplitude is small, therefore, R84 is marked optional,
it’s not absolutely necessary.

5.

Changes in the EHT voltage compensate the vertical
amplitude via R80.

3.1.4 East-west parabola

A parabola voltage is available on pin 11, for driving the
pincushion correction stage. The bottom of this parabola
voltage, equal to the middle of the screen, is set internally
on 1.2V, independent of the amplitude setting. In this way,
adjusting the parabola amplitude changes the horizontal
width in the corners only, while the amplitude in the middle
of the screen remains constant.

Amplitude adjustment of the parabola voltage is achieved
by a dc current in pin 14. No user control is available,
adjustment is only possible with P60 on the main
deflection/supply printed circuit board. The amplitude of
the parabola voltage is corrected for changes in the vertical
amplitude setting by means of R85. The amplitude of the
parabola voltage is independent of the vertical scan
frequency.

The parabola voltage from pin 11 is connected to the base
of T51. The collector current is then transferred to the
picture width driver. In that stage the amplitude is multiplied
with the horizontal frequency, to achieve a correction
independent of the horizontal frequency.

3.5 Miscellaneous I

A clamping signal for the video pre-amplifier, ic TDA4881,
is generated in the TDA4851.

This clamping signal is

available on pin 8, and is only present when horizontal sync
pulses are present on pin 9.

Fig. 3  Frequency to Voltage Converter and Current Source.

P59

T52

P54

IC53A

R93

R91

R90

C64

T50

C53

C52

C51

C50

IC50

R66

R65

R64

R63

R62

R61

C54

HORIZONTAL

OSCILLATOR

CURRENT

CLAMP

PULSE

F/V adj.

PHI-1 adj.

14

13

12

VFRQ

LM324

1/4

82K

10E

220E

820E

 470n

33u

Ser.

82n

100n

683

180K

SMD

PH2369

33K

10K

24K

220P

33K

12p

BC549C

8K2

1K8

NE555

16V

402

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The mode input/output pin 7 is connected to a switching
transistor T76.

This transistor is driven by comparator

IC56B.

This comparator detects whether or not the

incoming horizontal frequency is below 33 kHz.

In this

case, the TDA4851 assumes a VGA signal is present,
resulting in an automatic adjustment of the vertical
amplitude, depending on the sync. polarity. Above 33 kHz,
the internal mode detector of the TDA4851 is switched off
with T76,

to

prevent

automatic

vertical

amplitude

adjustment.

3.2 Additions to the TDA4851 for
auto-sync operation

Since the catching range of the horizontal section of the
TDA4851 is only

±

6.5%, the frequency range from 30 to

64 kHz cannot be covered without extra circuits.

To

accommodate the specified range, the horizontal oscillator
current (pin 18) is constantly adapted to the incoming
horizontal sync pulse frequency. This is achieved by means
of a frequency to voltage converter driving a current source.
To protect the power output stages from too low and too
high frequencies, voltage clamps on the drive voltage of the
current source keep the frequency of the horizontal
oscillator of the TDA4851 within the specified limits of 30
to 64 kHz.

3.2.1 F/V Converter

The frequency to voltage converter is built around one-shot
IC50, see Fig. 3. R65/66 attenuate the signal from pin 8 of
the TDA4851 in such a way that only the horizontal clamp
pulses (5.5Vpeak) and the vertical blanking pulses
(1.9Vpeak) do not drive T50. This has the advantage that
the incoming horizontal sync pulse is not disturbed in any
way, and the sync pulse polarity and amplitude variations
of the incoming sync pulse are of no influence to the circuit.

The output pulses of IC50 pin 3 are attenuated and filtered
with R90/91 and C64. The dc voltage VFRQ is used to
drive the current source and the S- correction capacitor
selection circuit.

The width of the output pulse of the

one-shot can be adjusted with P59 (F/V adj.). This potmeter
should be adjusted in such a way, that the switching of the
S-correction capacitors is performed at the desired
frequencies.

The conversion factor S of this F/V converter is:

S = {t

c

 + 1.1 x (R

62

+P

59

) x C

51

} x {R

91

 / (R

90

+R

91

)} x U

o

where:

t

c

width of the TDA4851 clamp pulse: 1

µ

s

1.1 x (R

62

 + P

59

) x C

51

width of the output pulse of the

one-shot IC50: 5.81 - 8.23

µ

s

R

91

 / (R

90

 + R

91

) attenuation of the output pulse: 0.313

U

o

amplitude of the output pulse: 10.8V

The duration of the output pulse of the one-shot is affected
by the trigger pulse. During time t

c

the output voltage is

already high, while the charging of C51 is halted. This
results in:

S = 23.0 to 31.2 mV / kHz

The voltage VFRQ can be found with the following formula:

V

FRQ

 = F

H

 x S

where F

H

is the horizontal scan frequency.

With S =

27.1mV/kHz, this results in:

V

FRQ

(31.47 kHz) = 31470 x 27.1 x 10

-3

V

FRQ

(31.47 kHz) = 853 mV

and:

V

FRQ

(63.69 kHz) = 63690 x 27.1 x 10

-3

V

FRQ

(63.69 kHz) = 1726 mV

Because the resistor divider for the s-correction capacitors
is fixed, the conversion factor S is adjusted to the voltage
VREF, feeding the divider.

3.2.2 Current source

The current source for driving pin 18 of the TDA4851 is
build around op. amp. IC53A and T52.

The collector current of T52 can be adjusted with P54 to
adapt to the actual conversion factor S and for the tolerance
on the oscillator capacitor C67 on pin 19 of IC52. This must
be done after the conversion factor S is adjusted with P59
to the correct s-correction switching frequency.

3.2.3 Voltage clamps

Fig. 4  Voltage clamps.

D83

IC53C

R179

R178

R164

IC53D

C106

R154

D82

VREF

VFRQ

5

6

7

1

3

2

LM324

1/4

LM324

1/4

910E

91E

220E

1K1

100n

BAW62

BAW62

403

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

To prevent the horizontal power output stage from running
at either too low, or too high, a frequency, the drive voltage
for the current source is limited. IC53C limits the lower
voltage and IC53D the upper voltage, see Fig.4.

The

frequency range of the TDA4851 is now limited to 30 kHz
minimum and 66 kHz maximum.

Reference for the comparators IC53C/D is a voltage divider
network, driven by IC53B. The input voltage for IC53B is
the temperature compensated reference voltage at pin 15
of the TDA4851.

3.3 Horizontal scan control driver

In order to keep the picture width constant, independent of
the horizontal scan frequency, the scan voltage is
continuously adapted. The relation:

V

scan

 = L x I x f

H

is valid.

From this equation, it can be seen that with

increasing scan frequency, the supply voltage must also
increase proportionally.

Realisation of this demand is in fact quite simple. The
horizontal drive pulse from the TDA4851 triggers one-shot
IC54. The output pulse width of this one-shot is constant,
independent of the trigger frequency.

Therefore, the

duty-cycle increases with increasing frequency. Via buffer
stage T62/63, FET switch T64 is controlled. In this way,
the scan voltage for the horizontal deflection output stage
is controlled, according to the previously stated relation.

Fig. 5  Horizontal Scan Control Driver.

IC54 is a retriggerable one-shot, see Fig. 5, which is
important at higher scan frequencies (above 66 kHz),
where the duty-cycle becomes 1.0.

In case of a

non-retriggerable one- shot, the duty-cycle would suddenly
drop to 0.5. This would not only result in half the deflection
amplitude, but also in a drop of the EHT.

One other important item is the phase relation between the
drive pulses of T53 and T64. When the horizontal output
stage is in the flyback part, T64 must always conduct (in
order to keep the EHT constant).

This is realised by

choosing the appropriate trigger edge (positive edge of the
horizontal drive pulse) and by a lower limit of the adjustment
range of the pulse width, to ensure T64 is conducting all
through the flyback period of the horizontal deflection stage.

3.4 S-correction capacitor selection

The necessary value of the S-correction capacitor varies
with the horizontal frequency, given a certain deflection coil
impedance and screen radius. The correct capacitor value
is chosen from eight different values through a combination
of one fixed and a choice of three capacitors.

The voltage VFRQ, representing the horizontal scan
frequency, is connected to the inverting inputs of seven
comparators IC56/57. Each non-inverting input of these
comparators is connected to a different output of a resistor
ladder R154/164-170/178/179. This resistor ladder is fed
by a voltage VREF.

At pin 15 of IC52 a temperature compensated voltage of,
typically, 3.0V is available for setting the vertical oscillator
current (R89). To avoid extra loading of this pin, a voltage
follower with high input impedance IC53b is used. The
output of op. amp. IC53b is a stable dc voltage with very
low output impedance: VREF.

Resistors R171 to R177 provide each comparator with
some hysteresis to prevent parasitic oscillations on the
switch-over points.

The comparator outputs are connected to an 8-3 multiplexer
IC58. The outputs of IC58 drive transistors T73/74/75.
These transistors can withstand the possible high voltages
(max. 150V) that drive the S-correction capacitor switches.

D79/80/81 are added to prevent T73/74/75 from break
down during line flyback. In this way, the selection of the
resistors sets the frequencies when the circuit switches to
another S-correction capacitor value.

3.5 Picture width driver

Since pin-cushion distortion is a fixed percentage of the
scan voltage, the peak to peak parabola voltage, correcting
the pin-cushion distortion, must be adapted to the actual
scan frequency. This multiplication is achieved in the same
manner as the scan voltage for horizontal deflection is
adapted.

One-shot IC55, see Fig. 7, is triggered with pulses having
the same frequency as the horizontal scan frequency. But
now, also the parabola voltage modulates the width of the
output pulse.

This output pulse is integrated through

R138/C98; the voltage drives a common base stage T69.

+12V

C87

R123

T63

T62

R122

R121

C86

C85

P56

R120

IC54

PULSE

H-DRIVE

T64

TO GATE

EHT adj.

+10.5V

C15

47K

1K

100n

220p

Ser

683

4538

HEF

33u

22k

10E

BC558

BC548

22E

16V

404

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 6  S-Correction Capacitor Selection Circuit.

+12V

+12V

R179

R178

IC58

IC56D

IC56A

IC57B

IC56C

IC57D

IC57C

IC57A

R177

R170

R176

R175

R174

R169

R168

R167

R166

R173

R172

R171

R165

R164

R157 up to R163

C108

C107

R156

R155

C106

R154

R153

R152

R151

T75

T74

T73

D79

D80

D81

TO S-CORR. CAPACITOR SWITCHES

IC57 PIN12

IC56 PIN12

IC57 PIN3

IC56 PIN3

IC53 PIN11

IC53 PIN4

VREF

VFRQ

13

11

10

14

9

8

1

7

6

2

5

4

13

11

10

14

9

8

1

7

6

910E

91E

39E

470K

470K

470K

39E

240E

150E

470K

470K

1/4

1/4

1/4

1/4

1/4

1/4

1/4

LM339

LM339

LM339

LM339

LM339

LM339

LM339

300E

200E

220E

33u

33u

470K

1K1

100n

22K

HEF4532

22K

22K

BAW62

BAW62

BAW62

MPSA42

MPSA42

MPSA42

470K

7X 10K

16V

10E

10E

16V

 

405

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

In this way, the modulation is converted to the collector
current of T69 (IEW), simplifying the interface to the
east-west power stage, which is connected to the +155V
supply.

Two other functions are also incorporated in this part of the
circuit:

-

User control of the picture width via P58; and

-

Compensation for variation of the EHT;

achieved

through R136 - the information is supplied by the EHT
compensation circuit.

Fig. 7  Picture Width Driver.

3.6 Horizontal deflection output stage

To allow a frequency range of 30 to 64 kHz, additional
measures have to be taken to keep the deflection current
and the EHT constant. This is realised by continuously
adapting the scan voltage to the horizontal frequency by
means of the horizontal scan control. The scan control
switch T64 is connected to ground, resulting in simple gate
drive. The horizontal deflection output transistor T55 is
connected to the supply rail because the driver transformer
L50 already provides isolation. The primary winding of the
Line Output Transformer L54 is used as a choke.

This set-up of horizontal deflection has two disadvantages:

1. The pincushion correction stage is either floating or

connected to the same supply rail as the line output
transistor, T55. In this concept, connection to the supply
rail is chosen, and driving it with a current IEW from the
small-signal circuit.

2. The S-correction capacitor switches are floating, which

makes it less simple to drive them.

The biggest advantage of this deflection stage is that a
minimum of wire wound components has been used.

3.6.1 Line driver stage

The circuit is shown in Fig. 8. As driver device T53 a small
MOSFET (BSN274) is chosen.

Its advantages over a

bipolar device on this particular application are: less power
dissipation (enabling smaller encapsulation), less drive
power required, better switching behaviour and no storage
time (so no additional stress on the

Φ

2

loop). To protect

the gate the standard precautions (zener diode and series
resistor) are taken.

The driver transformer is equipped with a damper network
at the primary side (C71/R98) to damp excessive ringing.
On the secondary side a damper (C76/R107) is present
between the base and emitter of the deflection transistor
T55.

In order to achieve sufficient negative drive voltage during
flyback, resistor R106 and diode D58 are added. Proper
-dI

b

/dT is achieved by the leakage inductance of L50.

When the X-ray protection is activated, the inverting driver
stage will be turned on continuously. This will switch off
T55, but also cause a low frequency swing in the driver
transformer.

To prevent voltage inversion across the

primary winding of driver transformer L50, which would turn
on the deflection transistor T55 for a relatively long time,
D55 is added.

A second measure, that must be

implemented when X-ray protection is installed, is
increasing the power rating of the current source resistor
R97 to 16W (!) or using an electronic resistor with a current
fold back characteristic.

Fig. 8  Line Driver Stage.

3.6.2 Horizontal scan control output stage

At double the line frequency, the scan voltage must be
doubled as well to have the same picture width on the
screen. Furthermore, the supply voltage to the line output
transformer must be proportional to the horizontal line
frequency to have constant EHT over the whole frequency
range. To achieve this, a synchronous switching series
regulator is added. This series regulator operates with a
constant T-on time.

+12V

+12V

C94

IC55

T69

R141

R140

C98

P58

C97

C96

C95

R139

R138

R137

R136

R135

R134

IC50 PIN 3

TRIG. INPUT

EHT COMP.

EAST-WEST

IEW

+155V

WIDTH

22n

220n

Ser.

683

220p

33u

82n

NE555

SMD

390K

330E

470E

10K

5K6

16V

10E

MPSA42

56K

1K

10K

2

1

3

4

C76

L50

D58

D56

D55

T55

T53

C75

C71

C70

R107

R106

R100

R99

R98

R97

TO DEFLECTION CIRCUIT

LINE DRIVE PULSES FROM TDA4851 PIN 3

+12V

+155V

C15

1K5 PR03

1K5

BU2520A

2.7E AC04

68n

BAS11

250V

150u

1K

BSN274

BYD33D

22E

BZX79

250V

2E2

220n

AT4043/87

150p

406

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

In Fig. 9 the basic circuit diagram and in Fig. 10 the relevant
waveforms are given.

Fig. 9  T-on Switch.

Transistor T64 controls the horizontal supply voltage and,
hence, the peak value of the flyback pulse which is directly
related to the horizontal amplitude and EHT (flyback time
is fixed, independent of frequency).

Fig. 10  Horizontal Scan Control Waveforms.

The average voltage across a coil must be equal to zero.
With T-on = 100% the area under the flyback pulse must
be equal to the scan amount. At half frequency, for equal
EHT with fixed flyback time, half scan amount will be
sufficient. This is indicated in Fig. 10. During T-off the
current will flywheel in D73.

63kHz

31.5kHz

Vlot

Vlot

Tperiod

Ton

Tfb

Ilot

L52

R124

C89

C88

D73

D72

R123

T64

C15

BUK455-200B

120E

BYV99

250V

22n

2n7

22E

BZX79

12uH

TO LOT

+155 V

BUFFER

FROM

Fig. 11  Power Output Stage.

C99

R125

L53

C80

C79

L51

C78

C77

C76

D61

D60

D59

T57

T56

T55

C75

R109

R108

R107

BASE DRIVE

+155 V

+155 V

1200 V 

IEW

+HDEFL

-HDEFL

5n6

220n

1K PR02

15n

BU2520A

BYW96D

BYW96D

5u6

BC547C

250V

150u

AT4042/33A

10K

BD648

1600V

100V

400V

BYW95C

2KV

1E

25V

47u

2E2

220n

AT4043/13

407

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

3.6.3 Power output stage

The power output stage, see Fig. 11, is a conventional one
with a diode modulator.

Because this stage is connected to the supply rail, the
flyback pulse has negative polarity. This makes the use of
T54, see Fig. 2, necessary because the deflection
controller IC52 expects a positive flyback pulse.

As lower damper diodes two low voltage diodes BYW96D
in series are chosen because they switch faster than one
single high voltage device.

As deflection transistor, the BU2520A is chosen.

This

device performs remarkably well over the frequency range
of 30 to 64 kHz.

The value of flyback capacitor C78 depends on the
impedance of the line deflection coils and the desired
flyback time. With 180

µ

H deflection coil impedance, C78

should be 5n6/2kV, with 220

µ

H impedance, C78 should be

4n7/2kV.

3.6.4 East-west power stage

To drive the diode modulator, the drive current "IEW" must
be converted to a voltage by means of R109. A power
buffer T56/57, see Fig. 12, drives the diode modulator. To
prevent high ac currents from flowing through T56, an
additional filter R108/C80 is added.

Fig. 12  EW Power Stage.

3.6.5 S-correction capacitor switches

The curvature of the screen determines the percentage
S-correction. This percentage is constant and independent
of frequency. Since the scan voltage is adapted according
to the horizontal frequency, the S-correction voltage also
has to be adapted, according to the frequency. The value
of the S-correction capacitor is determined with the
following equation:

C

s

 = T

p

2

 / (8 x 

σ

 x L

h

)

where:

T

p

= the visible line period time;

σ

= the percentage of S-correction;

L

h

= the impedance of the deflection coil.

With a constant flyback time of 3

µ

s, this gives the results

as shown in Fig. 14. These values are realised in the circuit
shown in Fig. 13.

C80

C79

L51

T57

T56

R109

R108

+155 V

TO DEFLECTION CIRCUIT

IEW

5u6

BC547C

10K

BD648

100V

1E

25V

47u

AT4043/13

Fig. 13  S-correction Capacitor Switches.

C100

C99

C105

C104

C103

C102

C101

D78

T72

R150

R149

R148

T71

D77

R147

R146

R145

D76

T70

R144

R143

R142

C80

C79

L51

T57

T56

R109

R108

TO DEFLECTION COIL

+155 V

DRIVERS

TO SWITCH

IEW

C15

C15

C15

BUK455-

150K

47K

100K

120n

BUK455-

150K

47K

100K

330n

BUK455-

150K

47K

100K

820n

220n

5u6

BC547C

630V

250V

10K

BD648

100V

250V

400V

22n

22n

22n

200B

200B

200B

1E

25V

47u

BZX79

BZX79

BZX79

AT4043/13

408

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 14  S-correction Capacitor in Relation to the

Horizontal Frequency.

Each switch contains a MOSFET with built-in anti parallel
diode, see Fig. 14. When, for instance, T75, see Fig. 5, is
not conducting, C101 will be charged via R143/144 and T70
will conduct. D76 prevents the gate from too high voltages.
When T75 conducts, the voltage at C101 will be zero and
T70 will block. Such a switch can also be build with a bipolar
device, however that would require a higher drive current,
resulting in high losses because of the ac and dc voltage
difference between drive and switch.

The switch itself functions as follows. During the first part
of scan the current is conducted by the MOSFET; the
S-correction capacitor will be charged. During the second
part of scan the current will be conducted by the anti parallel
diode.

In case the MOSFET is not conducting, the

S-correction capacitor will not be charged during first part
of scan, except from a very small current through the
resistors parallel to the MOSFET switches. So, during the
second part of the scan the V

DS

will remain positive and the

anti-parallel diode will not conduct.

3.6.6 EHT, Focus and Vg2

The EHT, focus and Vg2 are generated by the Line Output
Transformer (LOT) AT2090/01. This transformer can be
used up to 85 kHz and has a built-in bleeder (with focus
and Vg2 potentiometers) and an EHT smoothing capacitor
of 3nF. Not only the flyback but also the scan voltages are
frequency independent.

So, auxiliary voltages can be

extracted from the LOT in the ordinary way. There is one
exception: often the heater voltage for the CRT is taken
from an unrectified winding of the line output transformer.
Since due to T-on the RMS value is not frequency
independent, the CRT heater must be supplied from a
rectified winding. For practical reasons in this design an
SMPS voltage was more suited (-10.5V).

Fig. 15  EHT vs. Frequency.

3.7 Vertical deflection

The vertical deflection output stage used in this design is
the TDA4861 (IC51), see Fig.16. This vertical output stage
can be considered as a power operational amplifier with an
extra flyback generator and guard circuit.

The inputs are driven by the balanced outputs of the
TDA4851. The TDA4851 supplies complementary drive
currents, which can be directly connected to the input pins
of the output stage.

To determine the values of resistors R71/75, conventional
operational amplifier theory is applicable. This theory says
that, in practical cases, the differential input voltage of an
operational amplifier always equals zero:

V

2

 = V

3

I

out

 x R

72

 - I

drive

 x R

71

 = I

drive

 x R

75

For simplicity of design, R71 and R75 have the same value
Ri:

R

i

 = I

out

 x R

72

 / (2 x I

drive

)

The peak output current is the peak current for the deflection
coil used in the design (here peak Iout = 0.75A), Idrive is
the drive current from the TDA4851: 250

µ

A. The value of

resistor R72 can be chosen freely within certain limits:

1. The power dissipation in the resistor may not exceed

the power rating of the resistor used;

2. The voltage drop across R72 is subtracted from the total

available peak to peak coil drive voltage;

3. The minimum resistance is limited by the ground plane,

which introduces a tolerance that has to be minimised
with respect to the resistor value.

A good choice for R72 is 1

, the lowest available resistor

value in the normal range. This leads to the following result:

R

i

 = 0.75 x 1 / (2 x 250 x 10

-6

)

R

i

 = 1500 

Amplitude control is realised by adjustment of the output of
the TDA4851.

0.8

0.6

70.0

64.0

60.0

56.7

48.0

35.5

37.8

31.5

0.1

0.15

0.2

0.3

0.4

1.0

1.5

2.0

3.0

4.0

FREQUENCY (kHz)

M36EDR311X170

M34EDC13X16

*

*

*

*

(uF)

E

C

N

A

T

I

C

A

P

A

C

Ibeam=0.1mA

X

X

X

X

X

X

X

X

EHT

[kV]

25

24

23

f [kHz]

60

50

40

30

Ibeam=0.0mA

X

X

X

X

X

X

X

Ibeam=0.4mA

X

X

X

409

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Vertical shift, a user control, is possible by P52. Injecting
a dc current in one of the summation points, results in a dc
current through the deflection coil. The 0 to +12V from the
potmeter P52 is translated into a dc current in R71 by means
of resistors R73/74. Design considerations for these two
resistors are: a potmeter in middle position (the dc current
in the coil should be zero) and the maximum shift range.

The resistors values in the circuit diagram allow a shift range
of

±

15 mm.

The output of the TDA4861 is DC coupled with the deflection
coil, resulting in a bounce-free behaviour. Together with the
fast response of the TDA4851 after a frequency change,
this combination offers a stable picture within two frames.

For stability reasons, the combination R70/C56 is added
between the output and the most negative supply voltage.
If no damping resistor is present on the deflection coil, R69
should be added.

Its value has to be determined

experimentally.

The supply voltages for the TDA4861 are

±

 10.5V, allowing

simple dc coupling of the deflection coil. For flyback, an
extra supply voltage of +30V is connected to pin 8. This
results in a fast flyback of 300

µ

s.

The vertical guard pulse, available on pin 9, is connected
to the Vg1 circuit to provide vertical blanking and protection
in case no deflection coil is connected.

Diode D52 protects the TDA4861 in case the flyback
voltage is missing or drops faster than the +10.5V at
switching off of the circuit.

Fig. 16  Vertical Deflection Output Stage.

3.8 Miscellaneous II

3.8.1 EHT compensation

With the aid of the built-in EHT capacitor and focus / Vg2
divider in the LOT, the EHT voltage can be monitored in a
very easy way. When the time constant of these built-in
components

is

equal

to

the

time

constant

of

(R128+P57)/C92, then at LOT pin 12 an exact (divided)
copy of the EHT can be found. This signal is buffered by
T66 and inverted by T67, see Fig. 17.

Due to the tolerance on the Focus / Vg2 bleeder an
adjustment is required (P57).

The EHT information signal goes to T68, the inverted signal
modulates the picture width driver, in order to compensate
the horizontal deflection for EHT variations.

The

non-inverted output of T68 is fed to the vertical amplitude
control pin of the TDA4851 to compensate the vertical
deflection for EHT variations.

Fig. 17  EHT Compensation.

3.8.2 Beam current limiting

The long-term average anode current for the given tube is
700

µ

A. This current is measured at the lower side of the

EHT winding of the LOT, L54. The anode current flows
through resistor R126, connected to the +12V rail. When
the voltage across this resistor increases (with increasing
anode current), the base voltage of T65 drops. With a high
contrast setting, 6V dc on pin 9 of connector 2, the beam
current limiter (BCL) will be activated at an average anode
current of:

I

a

 = { +U

v

 - U

contrast

 + U

be

(T65) + U(D74) } / R126 - I

bleeder

C93

R133

R132

T68

P57

C92

D75

R131

R130

R129

T67

T66

R128

L54

TO VERTICAL AMPLITUDE ADJ.

TO PICTURE WIDTH MODULATOR

EHT comp.

Vg2

FOC

EHT

+155V

8

11

12

3

10

9

4

5

6

1

2

C24

BC548

1n5

BZX79

470n

560E

22K

2M2

10K

1K

MPSA92

BC549C

63V

1M

1M8

AT2090/01

+12V

+30V

-10.5V

+10.5V

R69*)

IC51

R76

R75

R74

R73

R72

R71

P52

9

D52

R70

1

CON 6

5

1

C59

C58

C57

C56

OUTPUT

GUARD

FROM TDA4851

CURRENT INPUT

To DEFL. unit

+VDEFL

-VDEFL

V-shift

+HDEFL

-HDEFL

330E*)

TDA4861

15u

68u

68u

5E6

47n

1K5

1E

1K5

BYD31D

40V

16V

16V

8K2

82K

10K

10K

410

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

I

a

 = { ( 12 - 6 + 0.65 + 0.5 ) / 15,000 }

- { 25,000 / ( 300 x 10

6

 ) }

I

a

 = 394 

µ

A

3.8.3 Vg1 supply

This monitor is equipped with an ac coupled video output
stage, using a supply voltage of 65V. After dc restoration,
the highest black level is approximately 45V, with respect
to ground. This implies that, with a tube requiring a cut-off
of 125V, Vg1 must be -80V.

At C84 a negative flyback pulse is rectified (-130V). During
normal operation T58 is saturated and Vg1 will be -80V. If
T58 is not conducting, Vg1 will be -130V which will cut-off
the tube completely. This will be the case in the following
conditions:

vertical guard (failure in the vertical output stage;
absence of vertical supply (+10.5V); and
absence of horizontal deflection (e.g. power switch off).

Vertical guard. When the vertical output stage generates
a vertical guard pulse, via D64 the base of T58 will become
high, which will turn off this transistor. Vg1 will be -130V.

Absence of vertical supply. When there is no vertical
supply, the vertical output stage can not generate a guard
pulse either. Therefore, the Vg1 circuit is connected to the
vertical supply rail. When the +10.5V supply is missing,
T58 cannot conduct, resulting in Vg1 = -130V.

Fig. 18  Vg1 Supply.

Absence of horizontal deflection.

When there is no

horizontal deflection the line flyback pulse will be small or
not present at all. This line flyback pulse is peak-peak
rectified at C81 and thus keeping T59 blocked.

When

flyback pulses disappear, caused by a failure in the Line

Output Stage or at switch-off, T59 will conduct, causing T58
to be blocked, and Vg1 will be -130V (C84 is large enough
to hold Vg1 on -130 Volts until the EHT is discharged).

3.8.4 Blanking for TDA4881

Horizontal blanking pulses are derived from the line flyback
pulses as delivered by the circuit around T54, see Fig. 2.
The cathode of D51 is connected to the collector of T54.
To limit the amplitude of the blanking pulses, D50 is added,
see Fig. 19.

Fig. 19  Blanking Pulse Generator.

3.8.5 Video supply

The ac coupled video output amplifiers require a supply
voltage of:

V

s

 = V

swing

 + V

min

 + ( V

s

 - V

max

 )

V

s

 = 50 + 10 + 5 V

V

s

 = 65 V

The secondary windings 3-4 and 5-6 of the LOT, L54, are
connected in series and stacked on the +10.5V supply. The
output voltage of rectifier diode D65 and capacitor C83 is
66V.

3.8.6 X-ray protection

A failure in the horizontal scan control section, could cause
a dangerous situation: the EHT might rise to an
unacceptable high level.

The thyristor, consisting of

T60/61, see Fig. 20, is fired when the flyback voltage rises
to an unacceptable level. The flyback input pin 2 of the
TDA4851 is forced high. This causes the horizontal drive
output pin 3 of the TDA4851 to be turned off (output voltage
is high). The line driver will be turned on, turning off the
line output transistor. The T-on driver will not be triggered
any more. The result is that the complete line output stage
stops working, so that the EHT will drop automatically.

Blanking is achieved, through the normal blanking circuit.
Furthermore, the Vg1 voltage will also drop, in order to
cut-off the tube.

+12V

D51

D50

R68

R67

C55

100n

10E

C5V6

BZX79

100V

BAW62

2K7

OUTPUT

BLANKING

T54

COLL.

R117

R116

C84

D71

D67

D66

C81

T59

T58

D64

D63

D62

R113

R112

R111

R110

PIN 9 LOT

PIN 6 LOT

GUARD 

VERTICAL

+10.5V

Vg1

C39

C39

10K

27K

10K

82K

1n5

C8V2

BZX79

15K

BC558

1K

BAW62

BYD31J

250V

BF423

BZX79

2u2

BYD31J

BZX79

411

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 20  X-ray Protection.

4. Oscillograms

The oscillograms given are meant as a guide-line in
debugging and aligning the circuit and together with the
above text it can also be of help in understanding the circuit.

All oscillograms concerning the horizontal sync processing
and deflection are given at two frequencies (31.5 &
56.7 kHz).

The relative position of the traces in the oscillograms with
respect to ground is not given. It is assumed that the reader
has enough knowledge of the circuits to understand them
without this indication.

In all the following figures trace 1 is at the top leading to
trace 4 at the bottom of each oscillogram.

R118

R119

R117

C84

D70

D69

D68

C82

T61

T60

R115

R114

TO TDA4851 PIN 2

+12V

Vg1

200V

4u7

82K

C56

C56

C56

1K

1n

1K

BZX79

BZX79

BZX79

1K

1K

BC548

BC558

31.5 kHz

56.7 kHz

Figs. 21 & 22  Horizontal Oscillator

Trace 1: H-sync pulse at pin 9 of TDA4851 (2V/div).

Remark: When the sensitivity of trace 3 is enlarged small

Trace 2: Sawtooth voltage at pin 19 of TDA4851 (2V/div).

triangles

can

be

seen

(100 - 150mV)

pointing

Trace 3:

Φ

1 voltage at pin 17 of TDA4851 (5V/div).

downwards. These triangles coincide with the horizontal

Trace 4: Drive voltage at pin 3 of TDA4851 (2V/div).

sync pulse. So a wider sync pulse gives wider (and larger)

Horizontal: 5

µ

s/div.

triangles.

412

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

31.5 kHz

56.7 kHz

Figs. 23 & 24  Frequency to Voltage Converter

Trace 1: H-sync pulse at pin 9 of TDA4851 (2V/div).

Remark: The output voltage of pin 3 is integrated and is

Trace 2: Voltage at pin 2 of IC50 (5V/div).

used for driving the horizontal oscillator and S-correction

Trace 3: Output voltage at pin 3 of IC50 (5V/div).

switches.

Horizontal: 5

µ

s/div.

31.5 kHz

56.7 kHz

Figs. 25 & 26  Horizontal Driver

Trace 1: H drive pulse at pin 3 of TDA4851 (5V/div).
Trace 2: Drain voltage at the driver MOSFET BSN274 (200V/div).
Trace 3: Emitter voltage of the deflection transistor (500V/div).
Trace 4: Current in the base of the deflection transistor (2A/div).
Horizontal: 5

µ

s/div.

413

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

31.5 kHz

56.7 kHz

Figs. 27 & 28  LOT & Deflection Transistor

Trace 1: Emitter voltage of the deflection transistor (500V/div).
Trace 2: Collector current of the deflection transistor (2A/div).
Trace 3: Primary current in the LOT (0.5A/div).
Trace 4: Primary voltage of the LOT (500V/div).
Horizontal: 5

µ

s/div.

Remark: The switching of T64 causes ringing in the LOT. This ringing is suppressed by the damping network in series
with the LOT (R124, C88, L52). Some small ringing remains and is visible in the oscillograms.

31.5 kHz

56.7 kHz

Figs. 29 & 30  T

on

 Switch

Trace 1: Primary voltage LOT (500V/div).
Trace 2: Drain voltage T-on switch T64 (200V/div).
Trace 3: Drain current T-on switch T64 (0.5A/div).
Trace 4: Current in D73 (0.5A/div).
Horizontal: 5

µ

s/div.

414

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

31.5 kHz

56.7 kHz

Figs. 31 & 32  Drive T

on

 Switch

Trace 1: Pin 4 IC54 (5V/div).

Remark: At the negative edge of the drive pulse IC50 is

Trace 2: Pin 6 IC54 (5V/div).

triggered. The output will give a fixed T-on (high) output.

Trace 3: Drain T64 (100V/div).

To prevent this one shot working at half frequency

Horizontal: 5

µ

s/div.

(f

drive

 > 1/T

on

), this one shot must be retriggerable.

31.5 kHz

56.7 kHz

Figs. 33 & 34  Deflection Stage

Trace 1: Emitter voltage T55 (500V/div)/
Trace 2: Voltage at pin 2 TDA4851 (2V/div).
Trace 3: Deflection current (5A/div).
Trace 4: Current in bridge coil L51 (5A/div).
Horizontal: 5

µ

s/div).

415

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

31.5 kHz

56.7 kHz

Figs. 35 & 36  S-correction switches

Trace 1: Emitter voltage T55 (500V/div).
Trace 2: Anode voltage D61 (100V/div).
Trace 3: Drain voltage S-correction switch T70/71/72 when on (100V/div).
Trace 4: Drain voltage S-correction switch T70/71/72 when off (100V/div).
Horizontal: 5

µ

s/div.

Remark: At 31.5 kHz all S-correction switches are conducting so in Fig. 35 trace 4 is missing.

31.5 kHz

56.7 kHz

Figs. 37 & 38  EW One Shot

Trace 1: Voltage at pin 2 IC55 (5V/div).
Trace 2: Voltage at pin 6 IC55 with max. pulse width (5V/div).
Trace 3: Voltage at pin 6 IC55 with min. pulse width (5V/div).
Horizontal: 5

µ

s/div.

Remark: Pin 5 of IC55 is modulated with the EW parabola, see Fig. 43. The output pulse width is thus EW modulated
with the min/max pulse width given in traces 2 and 3.

416

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Figs. 39 & 40  Vg1 Switch Off

Trace 1: Emitter voltage T55 (500V/div).

Remark: The time constant of the picture tube and EHT

Trace 2: Vg1 (50V/div).

capacitor/bleeder is about 1.6s, so Vg1 is still -130V as

Horizontal left: 20

µ

s/div.

the picture tube is fully discharged. Vg1 will also blank

Horizontal right: 1s/div.

the screen in case of vertical guard and failure of the
+10.5V supply.

Trace 1: Vertical deflection current (1A/div).
Trace 2: Sync pulse at pin 10 TDA4851 (2V/div).
Trace 3: Vertical oscillator voltage pin 16 TDA4851
(2V/div).
Trace 4: Output voltage at pin 5 TDA4861 (20V/div).
Horizontal: 2ms/div.

Remark: During vertical sync pin 8 will be 2V (not visible
in this oscillogram due to sampling effect of the DSO
used).

Fig. 41  Vertical Deflection

417

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Trace 1: Vertical sync pulse at pin 10 TDA4851 (2V/div).
Trace 2: Voltage at pin 8 TDA4851 (2V/div).
Trace 3: Guard voltage at pin 9 TDA4861 (5V/div).
Trace 4: Vg1 (50V/div).
Horizontal: 2ms/div.

Fig. 42  Blanking and Guard

Trace 1: Vertical deflection current (1A/div).
Trace 2: EW output (pin 11) of TDA4851 (1V/div).
Trace 3: Pin 5 IC55 (1V/div).
Trace 4: Filtered voltage of pin 3 IC55 (0.5V/div).
Horizontal: 2ms/div.

Remark: In the middle of the picture tube a white bar with
high intensity was displayed. At trace 3 the superimposed
EHT compensation signal for picture width correction can
be seen.

At trace 4 some line ripple is visible, see

Figs. 37&38.

Fig. 43  EW waveforms

418

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Trace 1: V

CE

of the SMPS transistor (500V/div).

Trace 2: V

BE

of SMPS transistor (5V/div).

Trace 3: I

C

of SMPS transistor (1A/div).

Horizontal: 10

µ

s/div.

Fig. 44  Power supply

5. Component Placement

The following recommendations are given for the design of
the PCB (see also reference).

1.

Keep loop areas with high currents and sensitive loop
areas as small as possible.

2.

Keep tracks that carry high voltage components and
sensitive tracks as short as possible.

3.

Do not locate the asynchronous SMPS transformer
close to the TDA4850.

4.

Use a star ground without ground loops!

5.

Implement local supply filtering for an IC. On the
ground only peripheral components of this particular
IC may be grounded.

6.

Try to ground sensitive components as close as
possible to the ground pin of its IC using a separate
ground track; for example, components of oscillator,

Φ

1 and

Φ

2.

7.

Especially critical in this circuit are the components
around the TDA4851 (IC52), belonging to the
horizontal part. Where possible, SMD types should
be used. In all other cases, connecting tracks should
be kept as short as possible.

 

Fig. 45  Examples of SMD component placement

+

+

+

PIN 1

IC52:TDA4851

R92
8K2

220n

C65

1n5

C66

220n

10n

C67

C68

120K

R96

PIN 1

IC50

C50
82n

IC55

82n

C96

PIN 1

419

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Televisions and Monitors

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

8.

IC50 and IC55, both NE555 timers, should be fitted
with an SMD supply bypass capacitor connected
directly across the supply pins. The reason for this is,
to keep the current transient at switch-over of the
output as small as possible.

9.

The pulses from the F/V converter, IC50 in Fig. 3, and
the picture width driver, IC55 in Fig. 7, must not
interfere with the sawtooth voltage of the horizontal
oscillator, IC52 in Fig. 1.

Examples of good layout solutions with SMD components
are shown in Fig. 45.

6. References

The information in this section has been extracted from the
following report:

A Versatile 30 - 64 kHz Autosync Monitor

Author: H.Misdom / H.Verhees
Report no.: ETV92003
12NC:

For a complete understanding of this application leading to
actual implementation of this design the above report
should be consulted. Other essential reference sources
are as follows:

Improvements on the 30 - 64 kHz Autosync Monitor

Author: H.Verhees
Report no.: ETV92008
12NC:

Full Mains Range 150W SMPS for TV and Monitors

Author: H.Simons
Report no.: ETV/AN92011
12NC.:

Advanced Monitor Deflection Controllers TDA4851
and TDA4852

Author: H.Verhees
Report no.: ETV93003
12NC:

Integrated SMPS Control Circuit TDA8380

Author:
Report no.:
12NC: 9398 358 40011

Specification of Bus Controlled Monitor

Author: J.Shy, T.H.Wu and J.Chiou
Report no.: Taiwan/AN9101
12NC:

Improvements on the 30 to 64 kHz Autosync Monitor

Author: H.Verhees
Report no.: ETV92008
12NC:

Electromagnetic Compatibility and PCB Constraints

Author: M.J.Coenen
Report no.: ESG89001
12NC: 9398 067 20011

420

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

CHAPTER 5

Automotive Power Electronics

5.1  Automotive Motor Control
(including selection guides)

5.2  Automotive Lamp Control
(including selection guides)

5.3  The TOPFET

5.4  Automotive Ignition

421

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Automotive Motor Control

(including selection guides)

423

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

5.1.1  Automotive Motor Control with Philips MOSFETS

The trend for comfort and convenience features in today’s
cars means that more electric motors are required than ever
- a glance at Table 1 will show that up to 30 motors may be
used in top of the range models, and the next generation
of cars will require most of these features as standard in
middle of the range models.

All these motors need to be activated and deactivated,
usually from the dashboard; that requires a lot of copper
cable in the wiring harnesses - up to 4km in overall length,
weighing about 20 kg. Such a harness might contain over
1000 wires, each requiring connectors at either end and
taking up to six hours to build. Not only does this represent
a cost and weight penalty, it can also create major
’bottlenecks’ at locations such as door hinges, where it
becomes almost impossible to physically accommodate the
70-80 wires required. Now, if the motor switching, reversing
or speed control were to be done at the load by
semiconductor switches, these in turn can be driven via
much thinner, lighter wiring thus alleviating the bottlenecks.
Even greater savings - approaching the weight of a
passenger - can be achieved by incorporating multiplex
wiring controlled by a serial bus.

Types of motors used in automobiles

Motor design for automotive applications represents an
attempt at achieving the optimum compromise between
conflicting requirements. The torque/speed characteristic
demanded by the application must be satisfied while taking
account of the constraints of the materials, of space and of
cost.

There are four main families of DC motors which are, or
which have the potential to be used in automobiles.

Wound field DC Commutator Motors

Traditionally motors with wound stator fields, a rotor supply
fed via brushes and a multi-segment commutator - see
Fig. 1 - have been widely used. Recently, however, they
have been largely replaced by permanent magnet motors.
Characteristically they are found with square frames. They
may be Series wound (with high torque at start up but tend
to ’run away’ on no-load), Shunt wound (with relatively flat
speed/torque characteristics) or (rarely) Compound wound.

Fig. 1  Wound Field DC Commutator Motor

DC

commutator

field
winding

stator

brushes

slotted rotor
with windings

air gap

425

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

motor

typical

nominal

typical

type of drive

typical

proposed

MOSFET 

*

comments

application

power (W)

current (A)

number of

number of

such motors

switches per

standard

L

2

FET

motor

 BUK-

BUK-

air-

300

25

1

unidirectional,

1

456

556

Active suspension may

conditioning

variable speed

also require such high
power motors

radiator fan

120-240

10-20

1

unidirectional,

1

455

555

These motors may go

variable speed

brushless, requiring 3
to 6 lower rated
switches

fuel pump

100

8

1

unidirectional

1

453

553

wipers:

unidirectional,

Reversing action is at

front

1-2

variable speed

present mechanical.
This could be done

rear

60-100

5-8

1

1

452/453

552/553

electronically using 2 or
4 switches

headlamp

2

washers:
front

1-2

30-60

2.5-5

undirectional

1

452

552

rear

1-2

window lifter

25-120

2-10

2-4

reversible

4

452/455

552/555

sun-roof

40-100

3.5-8

1

reversible

4

452/453

552/553

seat
adjustment

50

4

4-16

reversible

4

453

553

(slide,
recline, lift,
lumbar)

seat belt

50

4

2-4

reversible

4

453

553

pop-up

50

4

2

reversible

4

453

553

headlamp

radio aerial

25

2

1

reversible

4

452

552

door lock

12-36

1-3

6-9

reversible

4

451/452

551/552

mirror

12

1

2

reversible

4

451

551

adjustment

*

These are meant for guidance only. Specific applications should be checked against individual users requirements. In addition to standard and
L

2

FETs, FredFETs and low and high side TOPFETs might be considered. Also a variety of isolated, non-isolated and surface mount package

options are available

Table 1  Typical motor and switch requirements in top of range car.

426

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Permanent Magnet (PM) DC Commutator
Motors

These are now the most commonly used motors in modern
cars. The permanent magnet forms the stator, the rotor
consists of slotted iron containing the copper windings - see
Fig. 2. They have a lighter rotor and a smaller frame size
than wound field machines. Typical weight ratios between
a PM and a wound field motor are:

Copper

1:10

Magnets

1:7

Rotor

1:2.5

Case

1:1

PM motors have a linear torque/speed characteristic - see
Fig. 3 for typical curves relating torque, speed, current and
efficiency. (Philips 4322 010 76130). They are generally
used below 5000 rpm. Their inductance (typically 100 -
500 

µ

H) is much lower than wound field machines. New

materials (e.g. neodymium iron boron compounds) offer
even more powerful fields in smaller volumes.

Fig. 2  Permanent Magnet Commutator Motor

Fig. 3  Performance Curves for PM Commutator Motor

PM Brushless DC Motors

Although common in EDP systems, brushless DC motors
are not yet used extensively in cars. They are under
consideration for certain specialised functions, e.g. fuel
pump where their ’arc free’ operation makes them
attractive. They have a wound stator field and a permanent
magnet rotor - Fig. 4. As their name suggests they have
neither

mechanical

commutator

nor

brushes,

thus

eliminating brush noise/wear and associated maintenance.
Instead they depend on electronic commutation and they
require a rotor position monitor, which may incorporate Hall
effect sensors, magneto resistors or induced signals in the
non energised winding. Thanks to their lightweight, low
inertia rotor they offer high efficiency, high power density,
high speed operation and high acceleration. They can be
used as servos.

Fig. 4  Permanent Magnet Brushless Motor

Switched Reluctance Motors

These motors - see Fig. 5 - are the wound field equivalent
to the PM brushless DC machine, with similar advantages
and limitations. Again, not yet widely used, they have been
proposed for some of the larger motor applications such as
radiator and air conditioning fans, where their high
power/weight ratio makes them attractive. They can also
be used as stepper motors in such applications as ABS and
throttle control.

Motor drive configurations

The type of motor has a considerable influence on the
configuration of the drive circuit. The two families of DC
motors, commutator and brushless need different drive
circuits. However suitably chosen MOSFETs can be used
to advantage with both.

air gap

permanent

magnets
on rotor

slotted stator

with windings

 3-phase sinewave

or squarewave

DC

stator

slotted rotor

with windings

air gap

commutator

permanent

magnets

brushes

427

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 5  Switch Reluctance Motor

Commutator Motors

Both permanent magnet and wound field commutator
motors can be controlled by a switch in series with the DC
supply - Fig. 6. Traditionally relays have been used, but
they are not considered to be very reliable, particularly in
high vibration environments. Semiconductors offer an
attractive alternative, providing:

• low on-state voltage drop.

• low drive power requirements.

• immunity from vibration.

The Power MOSFET scores on all counts, offering ON
resistances measured in m

and requiring only a few volts

(at almost zero current) at the gate, to achieve this.

Fig. 6  Commutating Motor Switch

When a motor is switched off, it may or may not be running.
If it is, then the motor acts as a voltage source and the
rotating mechanical energy must be dissipated either by
friction or by being transformed into electrical energy and
returned to the supply via the inherent anti-parallel diode
of the MOSFET. If it is not turning, then the motor appears
as purely an inductance and for a low side switch the voltage
transient developed will take the MOSFET into avalanche.
Now, depending on the magnitude of the energy stored in
the field and the avalanche capability of the MOSFETs, a
diode in parallel with the motor may or may not be required.

As a first approximation, if

then a diode may not be needed.

Fig. 7  H Bridge using MOSFETs

Reversing the polarity of the supply, to a commutator motor,
reverses the direction of rotation. This usually requires an
H bridge of semiconductors, see Fig. 7. In this case the built
in diodes, inherent in MOSFETs, mean that no extra diodes
are necessary. It should be noted that there are now two
devices in series with the motor. So, to maintain the same
low level of on-state voltage drop, each MOSFET must be
doubled in area. With four devices in all, this means a
reversing H bridge requires 8 x the crystal area needed by
a unidirectional drive.

Chopping the supply, controls the mean voltage applied to
the motor, and hence its speed. In the case of the H bridge
TR1 and TR4 might be used to control direction, while a
chopping signal (typically 20kHz) is applied to TR3 or TR2.
When reversing the direction of rotation, it is preferable to
arrange the gating logic so that the system goes through a
condition where TR1, TR2, TR3 and TR4 are all off.

salient poles
with

field windings

switched DC

rotor with

salient poles

air gap

1
2

.

L

m

I

m

2

<

W

DSS

+ V

BAT

TR1

TR2

TR3

TR4

N-channel 

MOSFET

+ V

BAT

freewheel
diode

428

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Switched Field Motors

PM brushless motors typically require 6 switches to
generate the rotating field, see Fig. 8. Although there are
motors, which operate at lower power density, which can
be driven from 3 switches. The circuit in Fig. 9 shows a low
side switch version of such a drive. A similar arrangement
with high side switches would be possible.

Fig. 8  MOSFET Brushless Motor Drive

Fig. 9  3 MOSFET Brushless Motor Drive

Switched reluctance motors may use as few as 4 or as
many as 12 switches to generate the rotating field, a 4
switch version is shown in Fig. 10.

The speed and direction of all switched field motors is
controlled by the timing of the field pulses. In the case of
brushless DC machines these timing pulses can be derived
from a dedicated IC such as the Philips NE5570. Rotor
position sensing is required - using, for example,
magnetoresistive sensors - to determine which windings
should be energised. Compared with a DC commutator
motor, the power switches for a brushless motor have to
be fast, because they must switch at every commutation.

Fig. 10  4 MOSFET Switched Reluctance Motor Drive

PWM speed control pushes up the required switching
speed even further. Philips MOSFETs are designed so that
both switch and inbuilt diode are capable of efficient
switching at the highest frequencies and voltages
encountered in automotive applications.

High side drivers

Often, in automobiles, there is a requirement for the switch
to be connected to the positive battery terminal with the
load connected via the common chassis to negative.
Negative earth reduces corrosion and low side load is safer
when loads are being worked on or replaced. Also, when
H bridges are considered the upper arms are of course high
side switches.

Fig. 11  P-channel high side switch

There are two MOSFET possibilities for high side switches:

+ V

BAT

+

+

+ V

BAT

TR1

TR2

TR4

TR3

TR6

TR5

+ V

BAT

TR1

TR2

TR3

+ V

BAT

p-channel
MOSFET

429

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 12  N-channel high side switch with charge pump

• P-channel switches. These simplify the drive circuit

which only needs referencing to the positive supply, see
Fig. 11. Unfortunately p-channel devices require almost
three times the silicon area to achieve the same on
resistance as n-channel MOSFETs, which increases cost.
Also P-channel devices that can be operated from logic
level signals are not readily available.

Fig. 13  Bootstrap bridge drive

• N-channel switches. To ensure that these are fully turned

on, the gate must be driven 10 V higher than the positive
supply for conventional MOSFETs or 5 V higher for Logic
Level types. This higher voltage might be derived from an
auxiliary supply, but the cost of ’bussing’ this around the
vehicle is considerable.

The additional drive can be obtained locally from a charge

pump, an example in shown in Fig. 12. An oscillator (e.g
Philips AU7555D) free runs to generate a rectangular 12 V
waveform, typically at around 100kHz. A voltage doubler
then raises this to around twice the battery voltage. This
arrangement is equally suitable for ’DC’ or chopper drives.

An alternative approach for H bridge choppers is to use

the MOSFETs themselves to generate the drive voltage
with a bootstrap circuit as shown in Fig. 13. This circuit
works well over a range of mark-space ratios from 5% to
95%. Zener diodes should be used in this circuit to limit
the transients that may be introduced onto the auxiliary
line.

Fig. 14  High Side TOPFET

High Side TOPFET

The ideal high side switch to drive motor loads would be
one which could be switched on and off by a ground
referenced logic signal, is fully self-protected against short
circuit motors and over temperatures and is capable of
reporting on the load status to a central controller.

The Philips response to these requirements is a range of
high side TOPFETs. The range contains devices with
R

DS(ON)

from 38 to 220 m

, with and without internal ground

resistors. All the devices feature on board charge pump and
level shifting, short circuit and thermal protection and status
reporting of such conditions as open or short circuit load.
As can be seen in Fig. 14, the use of a TOPFET makes the
circuit for a protected high side drive for a motor very simple.

Currents in motor circuits

There are 5 classes of current that can flow in a motor
circuit:-

• nominal - this is the maximum steady state current that

will flow when the motor is performing its function under
normal conditions. It is characterised by its relatively low
level and its long duration.

N-channel 

MOSFET

+ V

BAT

v

charge pump

AU7555D

1

2

3

4

8

7

6

5

GND

TRIG

O/P

RES

CV

THR

DIS

VCC

+ V

BAT

input

status

BUK202-50Y

TOPFET

+ V

BAT

+

+

TR1

TR2

TR3

TR4

430

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

• overload - this is the current which flows when the motor

is driving a load greater than it is capable of driving
continuously, but is still performing its function i.e not
stalled. This is not necessarily a fault condition - some
applications where the motor is used infrequently and for
only a short time, use a smaller motor, than would be
needed for continuous operation, and over-run it. In these
cases the nominal current is often the overload current.
Overload currents tend to be about twice the nominal
current and have a duration between 5 and 60 seconds.

• inrush - or starting currents are typical 5 to 8 times the

nominal current and have a duration of around 100 ms,
see Fig. 15. The starting torque of a motor is governed
by this current so if high torque is required then the control
circuit must not restrict the current. Conversely if starting
torque is not critical, then current limiting techniques can
be employed which will allow smaller devices to be used
and permit sensitive fault thresholds to be used.

Fig. 15  Start-up Current in 2 A Motor

• stall - if the motor cannot turn then the current is limited

only by the series resistance of the motor windings and
the switch. In this case, a current of 5-8 times the running
current can flow through the combination. Fig. 16 shows
the current that flows through a stalled 2 A motor - the
current

gradually

falls

as

the

temperature,

and

consequently the resistance, of the motor and the
MOSFET rises.

• short circuit - if the motor is shorted out then the current

is limited only by the resistance of the switch and the
wiring. The normal protection method, in this case, is a
fuse. Unless other current control methods are used then
it is the I

2

t rating of the fuse which determines how long

the current will flow.

Fig. 16  Current in stalled 2 A Motor

It is important that the devices, selected for the control
circuit, can operate reliably with all of these currents. With
some types of switching device, it is necessary to select on
the basis of the absolute maximum current alone. Often this
results in a large and expensive device being used. The
characteristics of MOSFETs, in particular their thermally
limited SOAR (no second breakdown), allows the designer
to specify a much smaller device whose performance more
closely matches the needs of the circuit.

Device requirements

Voltage

The highest voltage encountered under normal operation
is 16 V, under jump start this can rise to 22 V. In the case
where the battery becomes disconnected with the
alternator running the voltage can rise to 50 V (assuming
external protection is present) or 60 V in the case of 24 V
vehicles see Table 2. Thus the normal voltage requirement
is 50/60v, however the power supply rail in a vehicle is
particularly noisy. The switching of the numerous inductive
loads generates local voltage spikes and surges of both
polarities. These can occur singly or in bursts, have
magnitudes of 100 V or more and durations of the order of
1ms.

It is important to chose MOSFETs capable of withstanding
these stresses, either by ensuring V

DS

exceeds the value

of the transients or by selecting 50/60 V devices with
sufficient avalanche energy capability to absorb the pulse.
For transients in excess of these values it is necessary to
provide external protection.

However, the TOPFET range of devices, both low and high
side,

have

overvoltage

protection

on

chip.

As

a

consequence they are rated to withstand very much higher
transient energies.

431

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Voltage Range

Cause

>50 (60)

*

coupling of spurious spikes

30 to 50

clamped load dump

22 to 30

voltage surge on cut-off of inductive
loads

16 to 22

jump start or regulator degraded

(32 to 40)

*

10.5 to 16

normal operating condition

(20 to 32)

*

8 to 10.5

alternator degraded

6 to 8

starting a petrol engine

(9 to 12)

*

0 to 6

starting a diesel engine

(0 to 6)

*

negative

negative

peaks

or

reverse

connected battery

*

24 V supply

Table 2  Conditions Affecting Abnormal Supply Voltages

Temperature

The ambient temperature requirement in the passenger
compartment is -40 to +85˚C , and -40 to +125˚C under the
bonnet. All Philips MOSFETs shown in Table 1 have
T

jmax

 = 175˚C.

The TOPFETs have a maximum operating T

j

of 150˚C

because above this temperature the on chip protection
circuits may react and turn the device off. This prevents the
device from damage that could result from over dissipation.
This protection eases the problems of the thermal design
by reducing the need for large safety margins.

L

2

FETs

The supply voltage in an automobile derived from the
battery is only 12 V (nominal). This can vary from 10.5 V to
16 V under normal operation. It is important that the
MOSFET switches be fully turned on under these
conditions, not forgetting that for high side switches it may
be necessary to derive the gate drive from a charge pump
or bootstrap.

Whilst a gate source voltage of 6 V is usually sufficient to

turn a conventional MOSFET on, to achieve the lowest on
resistance, 10 V is required. Thus the margin between
available and required gate drive voltage may be quite tight
in automotive drive applications.

One way to ease the problem is to use Logic Level

MOSFETs

(L

2

FET),

such

as

the

BUK553-60A

or

BUK555-60A, which achieve a very low on resistance state
with only 5 V gate-source.

Conclusions

There is an increasing demand for low cost, reliable
electronic switching of motors in automobiles. Despite the
wide variety of motor types and drive configurations there
is a Philips Power MOSFET solution to all of these
demands. The broad range of types includes standard and
logic level FETs, FredFETs, high and low side TOPFETs.
The combination of low on-state resistance, ease of drive
and ruggedness makes them an attractive choice in the
arduous automotive environment.

432

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Automotive Lamp Control

(including selection guides)

433

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

5.2.1  Automotive Lamp Control with Philips MOSFETS

The modern motor vehicle, with its many features, is a
complex electrical system. The safe and efficient operation
of this system calls for sophisticated electronic control. A
significant part of any control system is the device which
switches the power to the load. It is important that the right
type of device is chosen for this job because it can have a
major

influence

on

the

overall

system

cost

and

effectiveness. This choice should be influenced by the
nature of the load. This article will discuss the features of
the various types of switching device - both mechanical and
solid state. These factors will be put into the context of the
needs of a device for the control of resistive loads like lamps
and heaters. It will be shown that solid state devices allow
the designer a greater degree of control than mechanical
switches and that the features of Power MOSFETs make
them well suited to use in automotive applications.

Choice of switch type

Mechanical or solid-state

Designers of automotive systems now have the choice of
either mechanical or solid-state switches. Although
mechanical switches can prove be a cheap solution they
do have their limitations. Solid-state switches overcome
these limitations and provide the designer with several
useful additional features.

Areas where the limitations of relays become apparent
include:-

• Reliability - to achieve the required levels of sensitivity

and efficiency means that relay coils have to be wound
with many turns of very fine wire. This wire is susceptible
to damage under conditions of high mechanical stress -
vibration and shock.

• Mounting - special assembly techniques are needed

when dealing with automotive relays. Their outlines are
not compatible with the common methods of automated
assembly like auto insertion and surface mounting.

• Dissipation - the power loss in the coil of a relay is not

negligible - the resulting temperature rise makes it unwise
to mount other components in close proximity. In some
multiple relay applications it is necessary to provide
cooling by ventilation.

• Temperature - the maximum operating temperature of

relays is typically in the range 70˚C - 85˚C.

• Corrosion - the unsealed mechanism of relays are

vulnerable in contaminating and corrosive environments.

• Overloads - relays can also prove to be unreliable under

high transient load conditions. The arcing which occurs
when switching high currents and voltages causes contact
wear leading eventually to high resistance or even the
contacts welding together.

• Hazardous Materials - to achieve the prefered switching

performance, relays need to use materials like cadmium.
The use of such materials is becoming restricted by
legislation on health and safety grounds.

• Noise - the operation of a relay is not silent. This is proving

to be unacceptably intrusive when relays are sited in the
passenger compartment.

Solid-state switches can overcome these limitations but can
also give the designer the option of introducing the following
useful features:-

• Current limiting - a relay has two states - on or off so the

current which flows depends only on the load. There is no
mechanism which allows a relay to regulate the current
which flows through it. The best that a relay can do is to
try and turn off, when a high current is detected, but
because they are so slow, very large currents may be
flowing before the relay can react and damage may have
already been caused. However the characteristics of solid
state devices like MOSFETs and bipolar transistors allow
them to control the current. This allows designers the
chance to introduce systems which can handle faults in a
safe and controlled manner.

• Control of switching rate - the lack control that a relay

has over the current proves to be a limitation not only
during fault conditions but also during normal switching.
Without control, the rate at which current changes, dI/dt,
depends only on the external circuit and extremely high
rates can result. The combination of high dI/dt and the
contact bounce that relays are prone to, creates an
’electrically’ noisy environment for surrounding systems.
The control available with solid-state switches permits the
designer to restrain the current and produce ’soft’
switching eliminating any possible EMC problems.

Power MOSFET or Bipolar Transistor

All solid-state switches have significant advantages over
relays but there are different types of solid-state switch and
their particular characteristics need to be taken into account
if an optimum choice is to be made. There are two major
types of solid-state switches which are suitable for use in
automotive applications - power MOSFETs and bipolar
transistors - and several factors need to be considered if
the optimum choice is to be made.

435

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

• Overload - The choice of device type can be influenced

by the magnitude and duration of overload currents
associated with the application - for example the inrush
current of lamps. This factor is particularly important
because the maximum current that can be safely
conducted by a bipolar transistor is independent of its
duration. Whereas the safe operating area of a MOSFET
allows it to handle short duration currents very much
greater than its DC rating.

• Drive power - There can be a significant difference

between the total power needed to drive bipolar and MOS
transistors. A MOSFET’s oxide insulation

makes it a

voltage controlled device whereas a bipolar needs current
drive. However, most control circuits are voltage rather
than current orientated and the conversion to current
operation often involves the used of loss inducing
resistors.

• Reverse protection - If the switching device is required

to survive reverse conduction conditions then it is
necessary to have a diode, connected in anti parallel,
around it. If the device is a bipolar transistor then an extra
component will be needed. However the device is a
MOSFET then it has an inherent body / drain diode which
will

perform

this

function

without

the

additional

expenditure in components or board space.

Logic level and standard mosfets

The battery voltage in a car is a nominal 12 V. This can vary
from 10.5 V to 16 V under normal operation and can fall as
low as 6 V during starting. It is important that MOSFET
switches be fully turned on at these voltages, bearing in
mind that for a high-side switches it may be necessary to
derive the gate voltage from a charge pump circuit. While
a V

GS

of 6 V is usually sufficient to turn a standard MOSFET

on, 10 V is required to achieve the lowest on-state
resistance, R

DS(ON)

. Thus the margin between available and

required gate drive voltage may be quite tight in automotive
drive applications. One way to overcome this problem is to
use L

2

FETs such as the BUK553-60A or BUK555-60A,

which achieve a very low R

DS(ON)

with a V

GS

of only 5 V.

Switch configuration

A load’s control circuit can be sited in either its positive or
negative feeds. These are referred to as high side and low
side switching respectively. Which configuration is chosen
often depends on the location of the load/switch and the
wiring scheme of the vehicle but other factors like safety
can be overriding. The use of semiconductor switches
introduces another element into the decision process
because of the need to ensure that they are being driven
correctly.

Low Side Switch

In this arrangement the load is permanently connected
(perhaps via a fuse and the ignition switch) to the positive
supply. The switching device is connected between the
negative terminal of the load and the vehicle ground. This,
together with the almost universal practice of referencing
control signals to the vehicle ground, makes the
implementation of a low side switch with MOSFETs
extremely simple. The circuit shown in Fig. 1 shows a
MOSFET connected as a low side switch to a lamp load.
The Source terminal of the MOSFET is connected to ground
so the control signal, which is also referenced to ground,
can be connected to the Gate.

Fig. 1  Low side switch with N-channel MOSFET

High Side Drivers

Often, however, there is a requirement for the switch to be
connected to the positive battery terminal with the load
connected via the common chassis to the negative. This
arrangement reduces electrochemical corrosion and the
risk

of

accidentally

activating

the

device

during

maintenance.

One method of creating such a high side switch is to use
P-channel rather than N-channel MOSFETs. A typical
arrangement is shown in Fig. 2. In this the source is
connected to the +ve feed and the drain to the load. The
MOSFET can be turned ON by taking the control line to
zero and it will be OFF when the gate is at +ve supply
voltage. Unfortunately P-channel MOSFETs require almost
three times the silicon area to achieve the same low on-state
resistance as N-channel types and so are much more
expensive. An additional problem is the difficulty of
obtaining P-channel devices with low enough gate
threshold voltage to operate reliably at low battery voltages.

N-channel 

MOSFET

+ V

BAT

436

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 2  P-channel high side switch.

Using N-channel devices overcomes these problems but
involves a more complicated drive circuit.

To ensure that a n-channel MOSFET is fully turned on, the
gate must be driven 10 V higher than its source, for
conventional MOSFETs, or 5 V higher for Logic Level (L

2

)

FETs. With the source connected to the load and with most

of the supply being dropped across the it, the gate has to
taken to a voltage higher than the supply voltage. This
higher voltage might be derived from an auxiliary supply,
but the cost of ’bussing’ this around the vehicle would be
high. Figure 3 shows how this auxiliary supply could be
produced locally. It consists of an oscillator - based around
the Philips AU7555D - running at approximately 100 kHz
which is driving a charge pump which nearly doubles the
supply voltage.

An alternative approach, which can be used when the
device doesn’t have to be continuously ON, for example
PWM lamp dimming or lamp flashing, is shown in Fig. 4. In
this bootstrap arrangement capacitor C is charged to the
supply voltage when the MOSFET is OFF. When the
MOSFET is turned ON, its source terminal, and the negative
end of C, rises to the supply voltage. The potential of the
positive end of C is now higher than the +ve supply and
diode D is reverse biased preventing C from being
discharged. C can now act as the high voltage supply for
the gate. The inevitable leakages will tend to discharge C
and hence reduce the gate/source voltage, but with good
components it is easy to ensure that a voltage high enough
to keep the MOSFET fully ON is available for several
seconds.

P-channel 

MOSFET

+ V

BAT

Fig. 3  N-channel High-side switch with charge pump

N-channel 

MOSFET

+ V

BAT

AU7555D

4

3

7

6

2

5

R

Q

DIS

THR

CV

TR

v

charge pump

1

GND

437

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 4  Bootstrap High side driver

Inrush current

Any circuit or device which is intended to drive either a lamp
or a heater must be able to handle not only the normal
running current but also the inrush current at start up. All
lamps and many heaters are essentially resistors made
from metal conductors whose resistivity will increase with
temperature.

In the case of lamps, the extremely high operating
temperature (3000 K) means that the hot to cold resistance
ratio is large. Typical values for a 60 W headlamp bulb are:-

filament

current

resistance

cold (-40˚C)

0.17 

70 A

hot

2.4 

5 A

The figures given for the currents assume that there is 12 V
across the lamp, in practice wiring and switch resistance
will reduce the cold current somewhat, but the ratio will still
be large. The actual ratio depends upon the size and
construction of the lamp but figures between 10 and 14 are
common. For safety, the higher figure should be used.

The low thermal mass and the high power dissipation
(850 W peak in 60W lamp) means that the lamp heats up
very quickly. This means that the current falls from its peak
value equally quickly. The time it takes for the current to fall
back to its normal value depends on the size and
construction of the lamp - the larger the lamp the longer it
will take to heat up. Typically the current will have an
exponentially decay with a time constant of 1 - 10 ms. The
waveforms in Fig. 5 show the typical inrush current for a
60 W lamp being switched on by a MOSFET. The initial
temperature of the lamp filament was 25˚C.

The normal operating temperature of a heater is not as high
as that of a lamp, so the inrush current is rarely greater than
twice the nominal current and often less. The duration of
the ’inrush’ can, however, last for many minutes and it may
be this current which is used to define the ’normal’ operating
condition.

Being essentially resistive, lamps and heaters have very
low inductance. This means that the current in the load will
rise as quickly as the rest of the wiring will let it. This can
lead to serious interference problems.

Fig. 5  Current in 60 W lamp during start up

Switch rate

The inductance associated with the supply wires in a car,
is not negligible - a figure of 5

µ

H is often quoted. This

inductance, combined with the high rates of change of
current associated with the switching of resistive loads and
lamps, results in transient voltage appearing on the supply
leads. The magnitude of the transient is given by:-

For example a current which rises as slowly as 2 A/

µ

s will

cause a 10 V dip in the supply to the switching circuit. This
effect can be clearly seen in the waveforms of Fig. 6a. Such
a perturbation can have an effect in two ways. In the first
case the control circuit may be upset by having its supply
reduced to only 2 V and may, if not specifically designed to
cope with it, fail to function correctly. In the second case, it
is easy for a transient as large as this, with its significant
high frequency content, to be transmitted into adjacent
conductors in the wiring loom. If some of the conductors
are signal wires then false triggering of other functions could
result.

N-channel 

MOSFET

+ V

BAT

C

10uF

R2

R1

BC337

BC327

BC337

Lamp Current (10A/div.)

0

10ms/div

V

transient

= −

L

.

d I

dt

438

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

a) Low impedance gate drive

b) 47k

 gate drive resistor

Fig. 6  Effect of high dI/dt on supply voltage

The dip will be reduced to manageable proportions if the
dI/dt can be held to 0.5 A/

µ

s. Since the loads are resistive,

achieving this means reducing the rate that the voltage is
applied to the load. This type of ’soft’ starting is relatively
easy to implement when the controlling device is a Power
MOSFET. All that is needed is to put resistance in series
with the gate drive.

The plots shown in Fig. 6b illustrate the effect inserting
47 k

in series with the gate supply of a BUK455-60A. The

load for these tests was a 60W lamp being supplied from
a battery via a 5 

µ

H inductor. The dip in voltage due to dI/dt

is now lost in the voltage drop from the wiring resistance.

The rate at which current falls at turn off is also important.
High negative dI/dt will result in a large positive spike on
the supply rails. As with the negative dip, this spike could
cause interference in adjacent wires but it could also cause
overvoltage damage. Unlike the turn on dip which can never
be greater than 12 V, the magnitude of the turn off spike is
potentially unlimited. In practice, however, it is extremely

Fig. 7  Gate supply networks for switching rate control

unlikely that the voltage would exceed 30 V. Transient
voltages of this magnitude are relatively common in the
automotive environment and all circuits should be able to
withstand them. It is still worthwhile keeping the turn off
transient under control by ensuring that the dI/dt is low
enough - a figure of <1 A/

µ

s is standard.

Soft turn off, like soft turn on, is easy to implement if the
controlling device is a Power MOSFET. In fact the same
series resistor can be used to limit both the turn on and turn
off rates. With a lamp load, however, this method will give
a much slower turn off than is really necessary because of
the large difference between the current at turn on and turn
off. If this is a problem then an additional resistor and diode
put in parallel with the first resistor - see Fig. 7 - will speed
up the turn off.

MOSFET selection

The type of device chosen for a particular application
depends upon the features that the control circuit needs to
have. Table 3 lists the available MOSFET types and some
of their features that would be useful in automotive
applications.

Having chosen the type of MOSFET it becomes necessary
to decided on the size of device. With MOSFETs this
decision is made easier because, in its on-state, a MOSFET
can be treated as a resistance and because its safe
operating area (SOAR) is set by thermal considerations
only (no second breakdown effects). The first stage of the
selection process is to chose a device on the basis of the
nominal current requirement. The next stage is to check
that the inrush current, of the particular application and the
drive method used, does not result in the MOSFET
exceeding the transient thermal ratings. Having selected a
device that is capable of switching the load the designer
can then use the quoted values for the on-state resistance
(R

DS(ON)

) to check

that any on-state voltage drop

Drive

Gate

Supply Voltage (5V/div)

Lamp Current (10A/div)

20us/div

0

0

peak dI/dt=2A/us

Supply Voltage (5V/div)

Lamp Current (10A/div)

20us/div

0

0

peak dI/dt=0.5A/us

439

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

requirements are being met. Tables 3 and 4 lists many of
the different of lamps and resistive loads found in cars and
suggests MOSFET types that can be used to control them.

MOSFET

Features

Type

Standard

Wide range of current ratings from 5 to
>100 A.
Wide range of package styles
Fast recovery anti-parallel diode (60 /
100 V types)
Extremely fast switching.

L

2

FET

as standard
+
Fully operational with low voltage supply

Low side

as L

2

FET

TOPFET

+
overvoltage protection
overload protection
over temperature protection
3 and 5 pin versions
linear and switching control

High side

Single component providing:-

TOPFET

high side switch (on chip charge pump
and level shifting)
device protection
load protection
status reporting
CMOS compatible input

TABLE 1  MOSFET Types and Features

The automotive environment

The environment that circuits and devices can be subjected
to in automotive applications can prove to be extremely
severe. Knowledge of the conditions that can exist is
necessary to ensure that suitable devices and circuits are
chosen. The two most stressful aspects of the environment
are the temperature and voltage.

Temperature

The lowest temperature that is likely to be reached is -40˚C.
This is related to the minimum outside temperature and
may be lower under some special circumstances. The
maximum temperature depends to a great extent upon the
siting of circuits. The general ambient temperature in the
engine compartment can be quite high and it is reasonable
to assume that devices will see temperatures of 125˚C.
Within the passenger area, conditions are somewhat more
benign, but in areas where heat is generated and air flow
is restricted, the temperature will be higher than might be

expected. For this reason it is necessary to assume that
the circuits and devices will have to work in an ambient
temperature of 85˚C.

Voltage

It is possible to split the voltage conditions that can occur
into two groups - Normal and Abnormal. ’Normal’ conditions
are essentially those which can be present for very long
periods of time. Under such conditions it is reasonable to
expect devices and circuits to be completely operational
and to suffer no ill effects. ’Abnormal’ conditions are
characterised by their temporary nature. They are not
expected to persist for long periods and during them, some
loss in device / circuit performance can be expected and,
in some cases, is allowable.

Normal voltages

When considering the ’Normal’ environment it is important
to included both the typical and extreme cases. The crucial
condition for most devices and circuits is when the engine
is running. At this time the supply voltage can be anywhere
between 10.5 and 16 V in ’12 V’ systems or between 20
and 32 V in ’24 V’ systems.

The other significant ’normal’ operating mode is when
engine not running. In this state the supply voltage could
be very low but voltages below some level must be
considered as a fault condition. However some circuits will
have to operate with voltages as low as 6 V.

Voltage Level

Cause

12 V systems 24 V systems

40 V - 50 V

60 V - 75 V external spikes

30 V - 40 V

50 V - 60 V clamped load dump

22 V - 30 V

22 V - 30 V inductive load switch off

16 V - 22 V

32 V - 40 V jump start

16 V - 22 V

32 V - 40 V faulty regulator

8 V - 10.5 V

12 V - 20 V faulty alternator

6 V - 8 V

9 V - 12 V

starting a petrol engine

0 V - 6 V

0 V - 6 V

starting a diesel engine

Table 2  Abnormal Supply Voltages

Abnormal voltages

It is possible to envisage a situation in which nearly any
voltage could appear on the supply wires of a vehicle. How
extreme the voltages get depends to a great extent upon
the protection, both deliberate and incidental, built into the
system. The actual voltage that appears at the terminals of
a circuit is also influenced strongly by its location and the
location of the protection. Analysis of the automotive
environment has produced a list of expected abnormal
conditions. The values of voltage that these conditions can
be expected to produce are shown in Table 2.

440

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Load

Typical

Nominal

Peak

Number

Recommended MOSFET

1

Power

Current

Inrush

of lamps

Standard FET

Logic Level FET

Current

/car

SOT186

TO220

SOT186

TO220

headlamp

60 W

5 A

70 A

55 W

4.6 A

64 A

2

BUK445-60A

BUK455-60A

BUK545-60A

BUK555-60A

45 W

3.8 A

53 A

40 W

3.3 A

47 A

spotlight

55 W

4.6 A

64 A

2

BUK445-60A

BUK455-60A

BUK545-60A

BUK555-60A

front fog light

55 W

4.6 A

64 A

2

BUK445-60A

BUK455-60A

BUK545-60A

BUK555-60A

rear fog light

21 W

1.8 A

25 A

2

BUK442-60A

BUK452-60A

BUK542-60A

BUK552-60A

BUK443-60A

2

BUK453-60A

2

BUK543-60A

2

BUK553-60A

2

front sidelight

5 W

0.4 A

6 A

2

BUK441-60A

BUK451-60A

BUK541-60A

BUK551-60A

rear sidelight

5 W

0.42 A

5.8 A

2

BUK441-60A

BUK451-60A

BUK541-60A

BUK551-60A

10 W

0.83 A

12 A

2

brake light

21 W

1.8 A

25 A

2

BUK442-60A

BUK452-60A

BUK542-60A

BUK552-60A

BUK443-60A

2

BUK453-60A

2

BUK543-60A

2

BUK553-60A

2

direction indicator

21 W

1.8 A

25 A

4

BUK442-60A

BUK452-60A

BUK542-60A

BUK552-60A

light

BUK443-60A

2

BUK453-60A

2

BUK543-60A

2

BUK553-60A

2

side marker light

3 W

0.25 A

3.5 A

4

4 W

0.33 A

4.7 A

4

BUK441-60A

BUK451-60A

BUK541-60A

BUK551-60A

5 W

0.42 A

5.8 A

4

license plate light

3 W

0.25 A

3.5 A

2

BUK441-60A

BUK451-60A

BUK541-60A

BUK551-60A

5 W

0.42 A

5.8 A

1

reversing /

21 W

1.8 A

25 A

2

BUK442-60A

BUK452-60A

BUK542-60A

BUK552-60A

backup light

BUK443-60A

2

BUK453-60A

2

BUK543-60A

2

BUK553-60A

2

instrument panel

2.2 W

0.18 A

2.5 A

5

BUK441-60A

BUK451-60A

BUK541-60A

BUK551-60A

light

courtesy light

2.2 W

0.18 A

2.5 A

4

BUK441-60A

BUK451-60A

BUK541-60A

BUK551-60A

door light

2.2 W

0.18 A

2.5 A

4

BUK441-60A

BUK451-60A

BUK541-60A

BUK551-60A

boot / bonnet light

2.2 W

0.18 A

2.5 A

4

BUK441-60A

BUK451-60A

BUK541-60A

BUK551-60A

Notes

1

These are meant for general guidance only. Specific applications should be checked against individual users’

requirements. In addition to standard and logic level MOSFETs, high and low side TOPFETs might also be considered.

2

This device can be used to control two bulbs simultaneously.

TABLE 3  Automotive lamps - characteristics and recommended MOSFET drivers

441

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Load

Typical

Nominal

Number

Recommended MOSFET

1

Power

Current

/car

TO220

SOT186(A)

Comments

F-pack

screen heater

300-600 W

25-50 A

1

2 x BUK556-60H

Devices connected in parallel

seat heater

100-120 W

8-10 A

2

BUK452-60A

2

BUK442-60A

2

Notes

1

These are meant for general guidance only. Specific applications should be checked against individual users’

requirements. In addition to standard MOSFETs, L

2

FETs, low and high side TOPFETs might also be considered.

2

To achieve an on-state voltage drop of <1 V the BUKxx3-60A device should be used.

TABLE 4  Automotive Resistive Loads - characteristics and recommended MOSFET drivers

442

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The TOPFET

443

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

5.3.1  An Introduction to the 3 pin TOPFET

The TOPFET (Temperature and Overload Protected
MOSFET) concept has been developed by Philips
Semiconductors and is achieved by the addition of a series
of dedicated on-chip protection circuits to a low voltage
power MOSFET. The resulting device has all the
advantages of a conventional power MOSFET (low R

DS(on)

,

logic level or standard gate voltage drive) with the additional
benefit of integrated protection from hazardous overstress
conditions.

TOPFETs are designed for operation in low voltage power
applications, particularly automotive electronic systems.
The operation and protection features of the TOPFET range
of devices also make them suitable for other low voltage
power systems. TOPFETs can be used for all common load
types

currently

controlled

by

conventional

power

MOSFETs.

The first generation of TOPFET devices are summarised
in Table 1.

Protection strategy

A functional block diagram and the circuit symbol of the first
generation 3-pin TOPFETs are shown in Fig. 1. The
functional block diagram indicates that the logic and
protection circuits are supplied directly from the input pin.
This places a requirement on the user that the input voltage
must be sufficiently high to ensure that the protection
circuits are being correctly driven.

The TOPFET includes an internal resistance between the
input pin and the power MOSFET gate. This is required to
ensure that the protection circuits are supplied even under
conditions when the circuits have been activated to turn off
the power MOSFET stage. The value of this resistance has
been chosen to be a suitable compromise between the
requirements of switching speed and drive capability.

Variants of this configuration with differing input resistor
values (higher or lower) will be produced to suit different
application requirements.

Fig. 1  Schematic diagram and circuit of 3-pin TOPFET

POWER

MOSFET

DRAIN

SOURCE

INPUT

O/V

CLAMP

LOGIC AND

PROTECTION

TOPFET

P

D

S

I

TOPFET

Package

V

DS

 (V)

R

DS(ON)

 (m

)

at V

IS

 = (V)

BUK100-50GL

TO220

50

125

5

BUK100-50GS

TO220

50

100

10

BUK101-50GL

TO220

50

60

5

BUK101-50GS

TO220

50

50

10

BUK102-50GL

TO220

50

35

5

BUK102-50GS

TO220

50

28

10

Table 1.  3-pin TOPFET

 

type range

445

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Overtemperature protection

TOPFETs include an on-chip protection circuit which
measures the absolute temperature of the device. If the
chip temperature rises to a dangerous level then the
overtemperature protection circuit operates to turn off the
power MOSFET stage. Once tripped, the device remains
protected until it is reset via the input pin. In the tripped
condition the gate of the power MOSFET stage is pulled
down by the control logic and so some current is drawn by
the input pin of the TOPFET. If the overtemperature
condition persists after the gate has been reset then the
protection circuit is reactivated.

Short circuit protection

In the case of short circuit faults the rate of rise of
temperature in a MOSFET switch can be very rapid.
Guaranteed protection under this type of condition is best
achieved using the on-chip protection strategy which is
implemented in the TOPFET range of devices. The short
circuit protection circuit acts rapidly to protect the device if
the temperature of the TOPFET rises excessively.

The TOPFET does not limit the current in the power circuit
under normal operation. This ensures that the TOPFET
does not affect the operation of circuits where large inrush
currents are required. As with the overtemperature
protection circuit, the short circuit protection circuit turns off
the power MOSFET gate via the control logic and is reset
by taking the input pin low.

Overvoltage protection

Transient overvoltage protection is an additional feature of
the TOPFET range. This is achieved by a combination of
a rugged avalanche breakdown characteristic in the
PowerMOS stage and an internal dynamic clamp circuit.
Operation is guaranteed by an overvoltage clamping
energy rating for the TOPFET. Overvoltage protection gives
guarantees against fault conditions in the system as well
as the ability for unclamped inductive load turn-off.

ESD protection

The input pin of the TOPFET is protected with an ESD
protection zener. This device protects the PowerMOS gate
and the TOPFET circuit from ESD transients. The energy
in the ESD pulse is dissipated in the ESD source rather
than in the TOPFET itself. This input zener diode cannot
be used in the continuous breakdown mode and so is the
determining factor in setting the maximum allowable
TOPFET input voltage.

One feature of the implementation of the protection circuits
used in the first generation TOPFET devices is that the input
cannot be reverse biased with respect to the source. This
must be adhered to at all times. When the TOPFET is in
reverse conduction the protection circuits are not active.

446

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

5.3.2  An Introduction to the 5 pin TOPFET

The TOPFET (Temperature and Overload Protected
MOSFET) concept has been developed by Philips
Semiconductors and is achieved by the addition of a series
of dedicated on-chip protection circuits to a low voltage
power MOSFET. The resulting device has the advantages
of a conventional power MOSFET (low R

DS(on)

, logic level

gate voltage drive) with the additional benefit of integrated
protection from hazardous overstress conditions.

TOPFETs are designed for operation in low voltage power
applications, particularly automotive electronic systems.
The operation and protection features of the TOPFET range
of devices also make them suitable for other low voltage
power systems. TOPFETs can be used for all common load
types

currently

controlled

by

conventional

power

MOSFETs.

The second generation of TOPFET devices offers
enhanced protection and drive capabilities making them
suitable for a wide variety of applications, including those
requiring fast switching (eg PWM control) or linear control.
The circuit diagram for the 5-pin TOPFET types is shown
in Fig. 1. The key features of these devices are:

• Overtemperature protection
• Short circuit load protection
• Overvoltage protection
• Full ESD protection
• Direct access to the gate of the Power MOSFET.
• Flag signal reporting of certain fault conditions
• Separate protection circuit supply

The 5-pin TOPFET range is summarised in Table 1.

Overtemperature protection

TOPFETs include an on-chip protection circuit which
measures the absolute temperature of the device. If the

chip temperature rises to a dangerous level then the
overtemperature protection circuit operates to turn off the
power MOSFET stage. Once tripped the device remains
protected until it is reset via the protection supply pin.

Fig. 1  Schematic diagram and circuit of 5-pin TOPFET

POWER

MOSFET

DRAIN

SOURCE

INPUT

O/V

CLAMP

LOGIC AND

PROTECTION

PROTECTION SUPPLY

FLAG

D

S

I

TOPFET

P

F

P

TOPFET

Package

V

DS

 (V)

R

DS(ON)

 (m

)

at V

IS

 (V)

for V

PSP

 > (V)

BUK105-50L

SOT263

50

60

5

4

50

7

4.4

BUK105-50S

SOT263

50

60

5

5

50

7

5.4

Table 1.  5-pin TOPFET

 

type range

447

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

In the tripped condition the gate of the power MOSFET
stage is pulled down by the control logic and so current is
drawn by the input pin of the TOPFET. A minimum value
of external gate drive resistor is specified in order that the
protection circuit can turn off the PowerMOS stage and thus
protect the device. The flag pin gives a logic high output to
indicate that a fault has occurred. If the overtemperature
condition persists after the protection supply has been reset
then the protection circuit is reactivated.

Short circuit protection

In the case of short circuit faults the rate of rise of
temperature in a MOSFET switch can be very rapid.
Guaranteed protection under this type of condition is best
achieved using the on-chip protection strategy which is
implemented in the TOPFET range of devices. The short
circuit protection circuit acts rapidly to protect the device if
the temperature of the TOPFET rises excessively.

The TOPFET does not limit the current in the power circuit
under normal operation. This ensures that the TOPFET
does not affect the operation of circuits where large inrush
currents are required. As with the overtemperature
protection circuit the short circuit protection circuit turns off
the power MOSFET gate via the control logic and provides
a flag signal. The TOPFET is reset by taking the protection
supply pin low.

Overvoltage protection

Transient overvoltage protection is an additional feature of
the TOPFET range. This is achieved by a combination of
a rugged avalanche breakdown characteristic in the
PowerMOS stage and an internal dynamic clamp circuit.

ESD protection

The input pin, flag pin and protection supply pins of the
TOPFET are all protected with ESD protection zeners.
These devices protect the PowerMOS gate and the
TOPFET circuits from ESD transients. The protection
devices cannot be used in continuous breakdown.

Protection supply

An error condition is recorded and the flag signal is activated
if the protection supply is absent. Valid protection is only
guaranteed once the protection supply is in excess of V

PSP

(See Table 1).

One feature of the implementation of the protection circuits
used in this generation of TOPFET devices is that the input,
flag or protection supply pins cannot be reverse biased with
respect to the source. This must be adhered to at all times.
When the TOPFET is in reverse conduction the protection
circuits are not active.

448

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

5.3.3  BUK101-50DL - a Microcontroller compatible TOPFET

The TOPFET version BUK101-50DL can be directly
controlled by the port outputs of standard microcontrollers
and other high impedance driver stages. This member of
the TOPFET family has the same functional features as its
predecessors BUK101-50GS and BUK101-50GL. All these
versions are 3-pin devices for the replacement of Power
MOSFETs or partially protected Power MOSFETs. They
are internally protected against over temperature, short
circuit load, overvoltage and electrostatic discharge. For
more information concerning the basic technical concept of
TOPFET see Philips Technical Publication ’TOPFET - A
NEW CONCEPT IN PROTECTED MOSFET’. This section
covers the special features of the BUK101-50DL version,
criteria for driver stage design and application.

Overview on BUK101-50 versions

The GS, GL and DL versions of the BUK101-50 TOPFET
each have the same functionality but differ in their input
characteristics. Table 1 gives an overview on these
characteristics.

Type

Nominal

Normal

Latched

Max. Input

Input

Input

Input

Voltage

Voltage

Current

Current

(V)

(V)

(mA)

(mA)

GS

10

1.0

4.0

11

GL

5

0.35

2.0

6

DL

5

0.35

0.65

6

Table 1.  Comparison of GS, GL and DL versions

Table 1 shows that the GS version (S for Standard type) is
specified for 10V driver outputs while the GL and DL
versions (L for Logic Level type) are specified for 5V logic
level driver outputs. The two logic level types differ in the
input current, I

ISL

, which flows when the device is in its

’latched’ state i.e. shutdown has occurred due to over
temperature or short circuit load. The GL version is suitable
for pulsed applications up to 1kHz and needs a push-pull
driver stage while the DL version is optimised for high
impedance

drive

circuits

and

can

handle

pulsed

applications up to 100Hz.

Criteria for choice/design of driver stage

Figure 1 shows a simplified circuit diagram for the input of
a 3-pin TOPFET. Also indicated is the high level output
impedance of the driver stage R

out

.

Fig. 1  Diagram of 3-pin TOPFET input

For all versions the internal circuits for over temperature
and short circuit load protection are supplied from the input
pin. This determines the input current I

IS

under normal

conditions, i.e. the Power MOS transistor is on and T

off

in

Fig. 1 is off. To ensure proper function of the protection
circuits, a minimum input voltage V

IS

= 4V has to be applied.

If, however, the device has turned off due to over
temperature or short circuit load (i.e. transistor T

off

in Fig. 1

is on), a minimum of V

IS

= 3.5V is required to keep the device

in its ’latched’ state. Latched means that the device will stay
off even if the error condition has disappeared. Figure 1
indicates that under this condition the input current I

ISL

will

be increased due to the additional current that has to be
sourced into resistor R

IG

. R

IG

allows the Power MOS gate

to be pulled down internally while the input pin is at high
level. The typical value of R

IG

in the GL version is 4k

, while

for the DL version this value has been increased to 30k

.

Thus the maximum input current has been reduced to allow
for high impedance driver stages such as microcontroller
port outputs.

The

criteria

stated

above

result

in

the

following

requirements on the driver stage output resistance R

out

:

PROTECTION

LOGIC AND

DRAIN

SOURCE

INPUT

V

CC

V IS

R IG

R

Toff

out

TOPFET

Normal :

R

out

V

cc

4V

I

IS

(

V

IS

=

4V

)

(

1

)

Latched:

R

out

V

cc

3.5V

I

IS

(

V

IS

=

3.5V

)

(

2

)

449

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The maximum input currents of the BUK101-50DL are
specified as follows:

I

IS,max

= 270

µ

A at V

IS

= 4V

I

ISL,max

= 430

µ

A at V

IS

= 3.5V

Considering a 5V supply, equation (2) leads to a maximum
output resistance R

out,max

= 3.5k

.

Fig. 2.  Direct control by 80C51 microcontroller

Application example - 80C51
microcontroller as TOPFET driver

Figure 2 shows an application that takes advantage of the
low input current of the BUK101-50DL. As has been shown
above, the external pull-up resistor R

pull-up

in this circuit

should have a maximum value of 3.5k

at V

CC

 = 5V for safe

operation of the TOPFET protection circuits. An additional
requirement is that the TOPFET must be off when the port
output is at low level. Thus the limited sinking capability of

the port output demands a minimum value for R

pull-up

. For

the 80C51 microcontroller family a maximum output voltage
of V

out,low

= 0.45V is specified at a sink current of 1.6mA for

ports 1 to 3 and 3.2mA for port 0. This voltage level is safely
below the minimum turn-on threshold V

IS(TO)

= 1V of the

TOPFET. Considering V

CC

= 5V and the above specification

of the port output, the minimum value for R

pull-up

is:

Thus a value of 3k

meets the requirements.

Other applications for the BUK101-50DL

Logic IC as driver

Besides microcontroller port outputs the BUK101-50DL can
also be driven by standard 5V logic IC families. Table 2
gives an overview on these families and states - if necessary
- the minimum value for a pull-up resistor.

Family

R

pull-up min

TTL

300

LSTTL

620

STTL

240

HE4000B

no R

pull-up

 required

HCMOS

no R

pull-up

 required

ACL

no R

pull-up

 required

Table 2.   5 V logic IC families driving the BUK101-50DL

High Side driver

The low input current of the BUK101-50DL is also
advantageous, when using the device as a high side switch.
In this configuration the low drive requirements mean that
smaller capacitors are needed in charge pump or bootstrap
circuits. This subject is described more fully in section 5.3.6.

R

pullup

5V

0.45V

1.6mA

=

2.8k

P

VCC

Vbatt

3k

Port

Output

= 5V

80C51 or
Derivative

Load

BUK101-50DL

450

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

5.3.4  Protection with 5 pin TOPFETs

TOPFETs in the 5-pin SOT263 outline extend the range of
application of TOPFET to circuits requiring faster switching
or protected linear operation. 3-pin TOPFETs are ideal for
use in DC and low frequency switching applications but the
need to generate the protection supply from the input is a
limitation. Providing a separate pin for the protection supply
gives the designer freedom to control the input / MOSFET
gate in the way he chooses.

This note will look at the organisation of the 5-pin devices
and then discuss some of the more important operational
considerations. Application examples will be presented in
the later sections in this chapter.

Functional description

The logic and protection circuits within this device are
similar to those in the 3-pin TOPFETs but the configuration
has been modified (see Fig. 1) to give greater operational
versatility.

Fig. 1  Elements of a 5-pin TOPFET

These devices use pin 2 of the SOT263 as a flag and pin
4 as the supply / reset to the logic and protection circuits.
Separating the protection supply from the input has allowed
the internal input gate resistor to be removed. (In a 3-pin
TOPFET, this resistor is needed to maintain the protection
supply during latched fault conditions).

The operation of the protection circuits has not been
changed. If there is an overvoltage between drain and
source, the overvoltage protection circuit will still try to turn

the MOSFET partially ON. In an overtemperature or
overload situation the TOPFET will turn on the gate
pull-down transistor and attempt to turn itself OFF.

The flag indicates when the TOPFET has been tripped by
an overtemperature, overload or short circuit condition. It
will also indicate if the protection supply is absent, for
example during a reset. It should be pointed out that the
flag low state does not mean that the protection supply is
high enough, just that it is present.

The flag is the open drain of a MOS transistor which is OFF
to indicate a fault. It is intended that the flag pin is connected
to a 10 k

pull-up resistor. This arrangement gives the flag

a failsafe characteristic.

Operational considerations

Supplying the protection circuits from their own pin, rather
than sharing a pin with the MOSFET gate drive, has several
beneficial effects. One is that it allows the MOSFET gate
to be independently controlled without adversely affecting
the protection features. This is particularly useful when
TOPFET is being used as a linear controller.

The removal of the input gate resistor gives the designer
the opportunity of selecting the most appropriate value. It
is important to understand that if TOPFET is to protect itself,
it needs to control its gate by overriding the external drive
circuit. It can only do this if the impedance of the driver is
high enough. The conditions for satisfactory operation are
given in Table 1.

Minimum driver impedance

Protection level

ON drive

OFF drive

5 V

10 V

input /

source

Full self protection

1 k

2 k

100 

Overvoltage

100 

protection only

Overtemperature,

1 k

2 k

overload and short

circuit protection only

Table 1. Driver impedance and protection level

POWER

MOSFET

DRAIN

SOURCE

INPUT

O/V

CLAMP

LOGIC AND

PROTECTION

PROTECTION SUPPLY

FLAG

451

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The simplest way of satisfying the self protection
requirements is to fit a 2 k

resistor between the driver and

the input pin. This is simple in a linear controller but may
not be feasible in a switching controller where this
resistance will result in a significant turn OFF delay. An
alternative may be to have an ON drive via 2 k

and an

OFF drive via 100 

.

If lower turn ON drive impedance is needed then the
approach would be to use the flag output to control the
signal being fed to the driver circuit. It should be noted that
to have overvoltage protection the turn OFF impedance
must still be > 100 

.

The S and L versions differ only in the protection supply
voltage range. The L types are designed to be supplied
from the output of 5 V logic ICs, like the 74HC/HCT families.
The S types are intended to be supplied with a nominal 10 V
from either HEF4000 type logic, linear ICs (e.g operational
amplifiers) or discrete circuits.

One additional benefit of the independent protection supply
is that, unlike 3-pin L types, the input of a 5-pin L type can
be as high as 11 V, allowing a significantly lower R

DS(ON)

to

be achieved.

It is important to realise that, at high levels of input voltage,
the MOSFET transfer characteristic of both L and S types
will allow a very high current to flow during shorted load
situations. This current, flowing through the resistance in
the connections between the chip’s source metalisation and
the source pad on the pcb, will give a significant volt drop.
Since the return for the protection supply will be to the pcb
source bond pad, the volt drop will subtract from the
effective protection supply voltage. To compensate for this
effect, the minimum protection supply voltage, V

PSP

, is

increased at high levels of input voltage, V

IS

. For example

the minimum V

PSP

of the BUK105-50L is 4 V if V

IS

 5 V. If,

however, the input is taken to 7 V, to achieve an R

DS(ON)

of

50 m

, V

PSP

must be

 4.4 V. A curve in data (reproduced

as Fig. 2) gives minimum V

PSP

values for VIS from 0 to 11 V.

Fig. 2  Minimum protection supply for shorted load

protection

The input, flag and protection supply pins are all protected
against the effects of ESD by special diodes between the
pin and source. It is important to realise that these devices
are not designed to run in continuous forward or reverse
conduction. This means that the continuous voltage
between these pins and source should be > 0 and < 11 V.

Reverse Battery

There is always a risk that the car’s battery could be
reversed. If this happened to a system where a TOPFET
is fitted then the TOPFET will survive provided:
-

the current flowing through the body drain diode is
restricted by the load to a level which does not cause
the TOPFET to over dissipate,

-

the current flowing out of the input, flag and protection
supply pins is < 10 mA.

0

2

4

6

8

10

VIS / V

VPSP / V

BUK105-50L/S

10 

BUK105-50L

BUK105-50S

min

452

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

5.3.5  Driving TOPFETs

The output of a TOPFET is similar to that of a Power
MOSFET. However, the TOPFET’s protection features
make the input characteristics significantly different. As a
consequence, TOPFETs have different drive requirements.
This fact sheet describes these requirements and suggests
suitable drivers for the different TOPFET versions.

3-Pin TOPFET

Input requirements

3-pin TOPFETs can replace ordinary MOSFETs in many
circuits if the driver can meet certain conditions. The first
of these conditions is the need to keep within the TOPFET’s
V

IS

ratings and in particular to keep the input positive with

respect to the source. The second is the need to provide
an adequate supply to the protection circuits even when the
TOPFET has tripped and the input current is significantly
higher.

Table 1 summarises these requirements. It gives the
limiting values of V

IS

, the minimum input voltage for valid

protection in normal and latched mode and the normal and
latched input currents for each 3-pin TOPFET.

Drivers

The complementary drive arrangement shown in Fig. 1 is
well suited to the input requirements of 3-pin TOPFETs.
The transistors shown are the output of a cmos IC gate,
which for some TOPFETs may have sufficient drive. If not,
a push pull drive with discrete devices should be used.
Suitable cmos families are given in Table 1.

The BUK101-50DL has

a very

low

input current

requirement, achieved by increasing the value of the
internal input resistor - at the expense of a significant
increase in switching times. This means that this device can
be driven from the output port of an 80C51 micro controller
as shown in Fig. 2. Designers should be aware that other
high resistance / low current TOPFETs could be produced
if they are requested.

5-Pin TOPFET

Input Requirements

The requirements of a 5-pin TOPFET are somewhat
different to that of a 3-pin device. The first major difference

is that both the input and the protection pins need to be
supplied. The second difference is that the input resistance
is external and is selected by the designer. One requirement
which remains is the need to keep both the input-source
and protection-source voltages within the range 0 to 11 V.

The protection pin driver must be able to keep the voltage
above V

PSP

when supplying the protection current, I

PS

. With

the 5-pin device the protection supply is independent, so
the current drawn when TOPFET trips does not change.

Fig. 1  Complementary driver for 3-pin TOPFET

Fig. 2  Micro controller drive for 3-pin TOPFET

P

D

S

I

DL

P

5V

3k

D

S

I

80C51

C

453

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Input voltage (V)

Input Current (mA)

Driver

Type

limiting value

for valid protection

min.

max.

normal

latched

normal

latched

BUK100-50GS

0

11

5

3.5

1.0

5.0

HEF / Discrete

BUK101-50GS

0

11

5

3.5

1.0

4.0

HEF / Discrete

BUK102-50GS

0

11

5

3.5

1.0

20

Discrete

BUK100-50GL

0

6

4

3.5

0.35

2.0

HC/HCT

BUK101-50GL

0

6

4

3.5

0.35

2.0

HC/HCT

BUK102-50GL

0

6

4

3.5

0.35

10

Discrete

BUK101-50DL

0

6

4

3.5

0.35

0.65

Micro

Table 1  Input parameters of 3-pin TOPFETs

The input pin requirements depend on the mode of
operation chosen by the designer. If the TOPFET is
expected to turn itself off, in overtemperature or shorted
load situations, then the output impedance of the drive
needs to be > 2 k

. This will allow the TOPFET’s internal

turn-off transistor to pull the input pin low. If, however, the
circuit uses the TOPFET flag to signal to the driver to turn
off, then driver resistance can be very much lower.

Independent of which method is used for overload turn-off,
there is a separate requirement to ensure adequate
overvoltage clamping. If this feature is needed then the
input to source resistance of the driver - when it is pulling
the input low - needs to be > 100 

. If it is lower, then the

TOPFET’s internal clamping drive will be unable to raise
the gate voltage high enough to turn the MOSFET on.

Drives

The drive for the protection pin can, most conveniently, be
supplied by a cmos IC gate. A 74HC or HCT for L type
devices or a HEF4000 series device for the S type. Care is
needed however to ensure that the minimum protection
voltage, V

PSP

, requirements are still met when the input

voltage, V

IS

is high and the load is shorted.

A typical high impedance drive arrangement, which lets
TOPFET

protect

itself

against

shorted

load,

overtemperature and overvoltage, is shown in Fig. 3.

One method of creating a fast drive is shown in Fig. 4. In
this arrangement a NOR gate with a low impedance output
stage drives the input via a 100 

resistor. One input of the

NOR gate is connected to the flag pin and will be pulled
high by the 10 k

pull-up resistor if the TOPFET indicates

a fault. With one input high, the output of the gate will be
low turning the TOPFET off. The 100 

resistor ensures

that the overvoltage clamp is still operational.

Fig. 3  Self protection driver circuit

Fig. 4  Fast driver for 5-pin TOPFET

2k

P

D

S

I

F

P

D

S

I

F

P

P

1

Vcc

10k

100

454

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

5.3.6  High Side PWM Lamp Dimmer using TOPFET

Although the 3-pin TOPFETs were designed for low side
switch applications, they can, by using standard MOSFET
bootstrap techniques, be used in applications which need
high side control. One such application is the dimming of
automotive

headlamps

and

panel

lamps.

These

applications need not only a high side switch but also slow,
controlled switching to reduce problems of EMI.

This note will give details of a circuit which fulfils the
operational requirements of this application and, because
it uses a TOPFET, is well protected against shorted load
and overvoltage faults.

Circuit Description

The circuit shown in Fig. 1 shows the high side PWM
dimmer circuit. All the main components are shown, the
only exception being the source of the PWM control signal.
This could be either the system controller or a dedicated
oscillator depending on the nature of the overall system.
The circuit of Fig. 1 assumes that the signal is a rectangular
pulse train of the required frequency and duty cycle, with
an amplitude of 10 V.

The input signal is attenuated by R2 and R3 and fed to the
base of Q1. The combination of R1 and Q1 will invert and
level shift the signal and feed it to the input of the
BUK101-50GS TOPFET.

D1, C1 and the TOPFET form the bootstrap circuit. The low
end of C1 is connected to the TOPFET source. When
TOPFET is OFF its source is close to ground, so C1 charges
to Vbat via D1. When TOPFET turns ON, its source rises
to nearly Vbat, lifting the high end of C1 well above Vbat.
C1 can, therefore, provide more than enough voltage to
drive the TOPFET input. In fact, when Vbat is higher than
normal, the voltage would exceed the continuous V

IS

rating

of the BUK101-50GS, so D3 is included to restrict the input
voltage to below 11 V.

Capacitor C2 adds to the Miller capacitance of Q1 and limits
the rate of change of collector voltage. The TOPFET acts
like a source follower circuit, so the load voltage rises and
falls at the same rate as the collector-emitter voltage of Q1.

Fig. 1  High side lamp dimmer circuit

Component Values

With the components specified the circuit will operate at a
frequency between 50 and 200 Hz and has rise and fall
times of about 300 

µ

s. This slow switching means that the

minimum OFF time, for satisfactory bootstrap operation, is
about 1 ms. At 50 Hz this gives a maximum duty cycle of
95%.

The value of C1 has been chosen to ensure that TOPFET
input current does not cause the C1 voltage to fall
significantly during the maximum ON time. This means that
the lowest on state dissipation is being achieved. Lower
values could be used but the voltage droop would be greater
and care would be needed to ensure that the input voltage
does not fall below the V

ISP

of the TOPFET, otherwise the

protection features may not function.

The rate of switching can be changed by adjusting the value
of C2. Larger values would reduce switching speed.
Considerable care is needed when switching times become
very long because while the input voltage is below the V

ISP

the TOPFET is unprotected. Switching times can be
reduced to about 50 

µ

s by reducing the value of C2 to

470 pF. To reduce the switching times further will mean a
change to the input drive.

TOPFET

BUK101-50GS

Lamps

P

PWM signal

(10V peak)

R1

R2

R3

C1

C2

D1

D2

D3

Q1

BC337

3n3

47k

10k

10uF

c10

2k2

BAW62

BAW62

100

Vbat

455

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 2  5 V input stage

Switching rate, in particular the turn-off rate, is also
influenced by the amplitude of the input signal. R2 and R3
have been chosen to give similar rise and fall times with an
input of 10 V. If the input amplitude is lower the fall time
would increase. This can be compensated for by lower
attenuation. An input modified for 5 V input is shown in
Fig. 2. This arrangement also includes D5 to clamp the input
voltage to 5 V and R4 to allow the use of an open collector
or drain drivers.

Operation in fault conditions

TOPFET will protect itself against high voltage supply line
transients by partially turning on and restricting the applied
voltage to about 60 V. In high side applications the
remainder of high voltage may appear across the load. In
many systems the grounding and smoothing arrangements
will ensure that this will not be problem. In some
configurations the TOPFET source will rise above ground
while the input is held at ground. This means that the

TOPFET input will be negative while its drain-source
voltage is high. This may damage the TOPFET. This
difficulty can be eliminated by the input circuit shown in
Fig. 3. In this circuit diode D4 will turn off if the source
voltage rises. The input is, therefore, no longer clamped by
the drive and can rise with the source, eliminating the risk
of damage.

Fig. 3  Protection against negative input

If the load becomes short circuit, TOPFET will trip as soon
as the temperature of the power part of the chip becomes
too high. Since this circuit is a PWM controller the TOPFET
will be reset at the end of the ON period. During the period
between tripping and the start of the next cycle the TOPFET
will cool. It will, therefore, turn on when the input goes high
again and the short circuit current will flow until TOPFET is
tripped once more.

TOPFET is able to withstand this type of operation for a
considerable period of time but not necessarily indefinitely.
The dissipation is considerable, the temperatures could be
high and operating life may be affected. It is advisable,
therefore, that short circuit operation is evaluated.

PWM signal

R2

R3

C2

Q1

BC337

3n3

22k

10k

to Vbat

D5

c5

(5V peak)

R4

10k

TOPFET

BUK101-50GS

P

R1

C1

D2

D3

10uF

c10

2k2

BAW62

D1

BAW62

D4

456

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

5.3.7  Linear Control with TOPFET

Although the pulse width modulation, PWM, method of
motor speed control is often preferred over the linear
method it is not without problems. Some of these are totally
eliminated in linear controllers. However, linear control
techniques have their own limitations. By using a Philips
TOPFET as the power device some of the disadvantages
are removed giving a fully protected, linear control system.

This note will compare linear and PWM controllers. It will
then give details of a circuit based around a BUK105-50S
which shows that, with a TOPFET, it is simple to produce
a fully protected, linear controller for adjusting the speed of
a car heater fan.

Linear and PWM Control

PWM is often selected as the method of controlling the
speed of a brush motor because it is more efficient than
linear control. The reduction in energy loss results from a
reduction in the loss in the controlling power device. The
loss is lower because the device is only transiently in the
high dissipation state of being partially ON. To keep the
loss as low as possible, the transition time needs to be kept
short, implying fast switching and high values of dV/dt and
dI/dt. It is these fast switching rates which create the
electrical noise that can be such a problem in automotive
applications.

Linear control does not create this noise because it holds
the output at a steady value. The power device is
continuously in the partially ON state and its dissipation is
high. If, however, this heat can be handled and the
inefficiency is acceptable then linear control may be the
better choice.

Device Selection Factors

In PWM control, on-state dissipation is the major energy
loss, so R

DS(ON)

is the main selection criterion. In linear

control, maximum dissipation occurs when half the supply
voltage is being dropped across the device. In this state
R

DS(ON)

is not relevant as dissipation is being controlled by

the load and the supply. The limiting factor in this case is
the need to dissipate the energy and keep the junction
temperature to a safe value. The selection, therefore, is
based on junction to mounting base and mounting base to
heatsink thermal resistance. R

DS(ON)

cannot be ignored,

however, because it sets the residual voltage loss at
maximum speed which can be important.

TOPFET in Linear Control

The circuit shown in Fig. 10. is a linear controller for a car
heater fan based around a BUK105-50S. TOPFET is well
suited to this application because it is a real power device
in a real power package giving

it good thermal

characteristics and low R

DS(ON)

. The 5-pin TOPFET is used

because the protection circuits need to be supplied
independently from the input. The on-chip overtemperature
protection feature of TOPFET is precisely the protection
strategy needed in this type of high dissipation application.

Input Pin

In this circuit the input of the TOPFET is connected, via R1
and D1, to the output of an operational amplifier. The
TOPFET drain voltage is attenuated by R2/R3 and fed to
the positive input of the amplifier. The negative input is
connected to the wiper of the speed setting potentiometer.
This

TOPFET/op-amp

arrangement

creates

a

non-inverting amplifier with a gain of

In such a low frequency system the presence of R1 at
2.2 k

will not have a significant effect on normal operation.

However, if TOPFET is tripped, its internal gate source
transistor will be turned on and, because R1 is greater than
the 2 k

needed for self protection (see R

I

in the data

sheet), the MOSFET gate will be pulled down and the
TOPFET will be OFF.

Diode D1 prevents the input of the TOPFET being pulled
negative with respect to the source.

Protection Supply

To ensure that the overtemperature and shorted load
protection circuits work, the protection supply pin needs to
be connected to an adequate supply. To allow TOPFET to
be reset, provision has to be made to switch this so it can
fall below the minimum reset voltage, V

PSR

. Possibly the

easiest way to achieve this is by feeding the protection
supply from a CMOS gate.

gain

=

(

R2

+

R3

)

R3

457

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 1  Linear speed controller circuit

TOPFET

BUK105-50S

Fan motor

+

-

+

-

+

-

Vbat

100

10k

100k

100k

c10

LED

10k

100k

22k

10k

47n

2k2

47k

10k

D4

R1

R2

R3

R4

D2

D1

reset

P

P

F

I

D3

Two version of BUK105-50 are available, ’S’ and ’L’. They
differ in their protection supply requirements. L devices are
designed to operate from a nominal 5 V. This makes them
compatible with 5 V logic families like the 74HC and HCT
series. L types can be driven at 10 V but as curves in the
data show the protection characteristics are affected. On
the other hand, S devices are designed to work with a
nominal 10 V such as is available from HEF4000 logic
gates.

If this circuit were part of a larger system then it is likely that
such a gate would be available. In the circuit given here the
protection pin is connected to the output of an op-amp wired
as a non-inverting buffer. The buffer input is pulled up to
the +ve rail with 10 k

. The protection supply can be taken

low - to reset the TOPFET - by a pushbutton which grounds
the input of the buffer.

Flag pin

In this circuit the flag pin is connected to a 10 k

pull-up

resistor, R4. In a more sophisticated system this signal
could then be fed to the input of a logic gate and used to
inform the system controller of a fault condition. The

controller could use this information to initiate a reset
sequence or perhaps shut down the circuit and record the
fact in a maintenance record store.

In this simpler system the flag output feeds the input of an
op-amp wired as a comparator which in turn indicates a
fault by lighting a LED. The output is also fed via D3 to the
input of the speed controller op-amp. This overrides the
signal from the speed adjusting potentiometer and takes
the TOPFET input low. This arrangement has been used -
even though the circuit has been designed to allow the
TOPFET to self protect - to prevent the TOPFET from
turning back on when there is no protection supply, for
example during reset.

Drain pin

Freewheel diode D4 is needed if the energy stored in the
motor inductance exceeds the TOPFET’s non-repetitive
inductive turn-off energy rating at the designed operating
junction temperature. The overvoltage clamping of the
TOPFET is still needed, however, to protect against supply
line transients.

458

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

5.3.8  PWM Control with TOPFET

Speed control of permanent magnet dc motors is required
in many automotive and industrial applications, such as
blower fan drives. The need for protected load outputs in
such systems can be met by using a TOPFET with its
inherent protection against short circuit, overtemperature,
overvoltage and ESD. In section 5.3.7 the two basic
methods for speed control, linear and PWM, are compared
and discussed and a circuit example for linear control is
given. This section gives an example of a PWM drive circuit
using a 5-pin TOPFET.

Circuit Description

The circuit shown in Fig. 1 contains all the elements needed
to produce a PWM circuit which can control the speed of a
heater fan motor. The power device, because it is a
TOPFET, can survive if the load is partially or completed
shorted, if overvoltage transients appear on the supply lines
or if the cooling is, or becomes, insufficient.

In a PWM control system the supply to the motor has to be
switched periodically at a frequency significantly above its
mechanical time constant. The net armature voltage and
thus the motor speed is controlled by the duty cycle, i.e.
on-time/period, of the control signal. With the component
values shown, the circuit operates at a frequency of 20kHz.
This means that any mechanical noise created by the
switching is ultrasonic. The main building blocks of the
circuit are the PWM generator, the power driver and the
interface between the two.

PWM Generator

In Fig. 1, OP1 together with T1 and T2 form a saw-tooth
generator, whose frequency is determined by R1 and C1.
OP2 compares the saw-tooth voltage waveform at its
inverting input with the voltage determined by the
potentiometer P1. The output of OP2 is high as long as the
saw-tooth voltage is less than the P1 voltage. As a result,
the higher the voltage at P1, the longer the positive pulse
width and thus the higher the duty cycle of the signal at the
output of OP2.

Interface PWM Generator - TOPFET

The output signal of OP2 is fed to emitter-followers T4 and
T5. These act as a low impedance driver for the input of
the TOPFET. The drive is needed to achieve the short
switching times which keep the dynamic switching losses
of the TOPFET below the on-state losses.

Resistor R15 is included between the driver T4/T5 and the
TOPFET input to ensure proper function of the TOPFET’s
internal overvoltage protection. This overvoltage protection
is an active clamp circuit that will try to pull up the gate of
the TOPFET’s power MOSFET (i.e. the input pin) if the
drain-source voltage exceeds 50V. A minimum resistance
of 100

between input and ground is needed for the active

clamp to succeed.

If the load is shorted or the TOPFET’s junction temperature
is too high, the internal sensors of the TOPFET will detect
it and inform the protection logic which will turn off the
internal flag transistor. The flag pin, which is connected to
the drain of this transistor, will be pulled high by resistor
R16. This will turn on transistor T3 pulling the input to the
driver stage, T4/T5, low and hence turning the TOPFET off.

The TOPFET will remain in this state - even if the error
condition disappears - until a reset is applied. The 5-pin
TOPFETs are reset by taking the protection SUPPLY pin
below V

PSR

. In this circuit this is done by closing the reset

switch, pulling the protection pin to ground. In this state
there is no protection supply so the TOPFET is unprotected.
However, the TOPFET indicates the absence of a
protection supply by the flag transistor remaining off. In this
circuit this causes the drive to the TOPFET to be low hence
the TOPFET will stay off. The TOPFET will resume normal
operation when the reset switch is opened and the
protection supply is re-established.

Power Stage

In this circuit, the main power switch is a BUK105-50L which
has an R

DS(ON)

of 60 m

 @ V

IS

 = 5 V. The L version of the

BUK105 has been chosen so that the protection supply can
be fed from the available 5 V supply. The maximum
protection supply current, I

PS

, is 350 

µ

A, the voltage drop

across R17 could be 0.42 V. Even if the voltage is regulated
as low as 4.5 V, the protection supply will still be > 4 V, the
minimum V

PSP

for valid protection with a V

IS

of 5 V.

If a lower R

DS(ON)

were needed this could be achieved by

modifying the circuit to give a higher V

IS

on the TOPFET.

A V

IS

 = 7 V would give an R

DS(ON)

 = 50 m

. An input voltage

as high as 10 V could be used but any increase must be
accompanied by an increase in the protection supply
voltage. A curve showing the required V

PSP

for the full range

of input voltage is given in the data sheet.

459

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The given circuit can be used in both 12V and 24V systems
because, with an input voltage of 5V, the TOPFET is short
circuit protected up to a supply voltage of 35V. However, if
a supply this high is expected then the dissipation and
voltage rating of the regulator would need to be studied.

D1 is a freewheel diode across the motor load which must
be present even though the TOPFET has an internal clamp
circuit. This is because the dissipation resulting from

repetitively clamping at 20 kHz is very high, much higher
than any power switch of this size would be able to handle.
R18/C4 are optional devices that slow down switching,
reducing dV/dt and hence RF noise emission.

Capacitor C5 helps to decouple the circuit from the supply
and prevents excessive dI/dt on the power lines and the
excessive voltage spikes it would produce.

Fig. 1.  PWM Control Circuit using TOPFET

10n

C1

548

22k

BC

R3

T1

548

22

BC

R4

1k2

R5

OP1

+

-

6k8

R1

33k

R2

R6

R10

8k2

12k

R7
6k8

T2

R8

6k8

P1
10k

548

BC

T3

558

BC

T5

OP2

+

-

548

BC

OP1,OP2: LM 393

T4

1k

R11

LM78L05

C2

C3

22u

1u5

R16
10k

R17
1k2

R15

100

R12
8k2

RESET

470p

C4

63V

1000u

C5

47

R18

28

BYV

D1

10

R17

TOPFET

BUK105-

50L

M

Vbat

P

P

F

I

D

S

460

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

5.3.9  Isolated Drive for TOPFET

An isolated drive for a power transistor is required if an
electronic replacement of an electromechanical relay is to
be realised. By using a TOPFET, with its integrated
protection functions, in combination with an isolated input
drive, the following advantages over an electromechanical
relay can be achieved:

o

Permanent short circuit protection

o

Over temperature protection

o

Active clamping at inductive turn-off

o

Logic level control

o

Higher switching frequency

This section presents a complete circuit example of a
transformer isolated drive. It also discusses other isolation
techniques particularly in relation to meeting TOPFET’s
specific requirements.

Basic Methods for Isolated INPUT Drives

Opto-Isolated Drives

For this method a light emitter (e.g. LED or lamp) and a
photo-device is needed. The latter can be subdivided into
two groups:

Photo Resistors/Transistors

With these devices a ’switch’ can be built to control the input
voltage of a TOPFET. They cannot provide the power
needed to drive the input so a separate supply is needed.
In low side configurations this can be the main supply
directly. In high side configurations an input voltage above
main supply level is needed which could be generated by
a charge pump. However, the supply connection needed
for this type of opto-isolated drive is not needed with an
electromechanical relay. So an opto-isolated drive with
photo resistors/transistors cannot serve as a universal relay
replacement.

Photo Cells

The drive energy from a control pin can be transferred to
the input pin of a power device by means of photo cells.
This would eliminate the need for the additional supply
connection. Integrated devices exist that combine an LED
and a chain of photo-cells. They are designed to drive
ordinary power MOSFETs so their output current, due to
the low efficiency of the photo-cells, is only a few

µ

A. This

is not enough to supply the protection circuits of a TOPFET
so this method cannot be used to provide isolated drive for
a TOPFET.

Transformer Isolated Drives

As with photo-cells, pulse transformers provide a means of
transferring energy from the control pin to the input of the
power device. However, the transfer efficiency of a pulse
transformer is much higher, so the protection circuits of a
TOPFET can be supplied satisfactorily.

Extremely small pulse transformers are now available, and
some outlines are suitable for surface mount. It is, therefore,
realistic and practical to use this method to create a relay
replacement for high and low side configurations.

Circuit Description

Figure 1 shows a transformer-isolated drive circuit for
TOPFET. As discussed above, a TOPFET in combination
with this drive circuit can be employed either in high side
or low side configuration without modifications on the driver
side. The drive signal on the transformer’s primary side is
a pulse train that is rectified on the secondary side to provide
a continuous input voltage V

IS

for the TOPFET. For the given

dimensioning, a pulse rate in the range of 100kHz is well
suited. A high pulse rate is advantageous as it allows the
dimensions of the transformer and smoothing capacitor,
C2, to be minimised.

On the primary side, a voltage is applied to the transformer
when T1 is on. The positive pulse amplitude is limited by
D7 on the secondary side. The drain current of T1 and the
transformer current are limited by R1.

During the off period of T1, the transformer’s primary current
freewheels through D1 and D2. Thus the absolute
maximum value for the negative pulse amplitude on the
primary winding is equal to the sum of breakdown voltage
of zener diode D2 and forward diode drop across D1. At a
duty cycle of 50%, this value should be at least as high as
the positive pulse amplitude. This allows the primary current
to reach zero and thus the magnetic flux in the core to be
reset while T1 is off. The maximum off-state drain-source
voltage of T1 occurs if the secondary winding of the
transformer is left open. It is the sum of supply voltage VP,
zener voltage of D2 and forward voltage drop across D1.

461

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 1  Transformer-Isolated Drive Circuit for TOPFET

Using a bridge rectifier on the secondary side makes use
of both positive and negative pulses to generate the
input-to-source voltage V

IS

for driving the TOPFET. This

increases the efficiency. It also reduces the ripple on V

IS

,

therefore the ripple on the load current and hence the
electromagnetic noise emission.

The minimum value for V

IS

is set by the need to have enough

voltage for correct operation of the TOPFET’s overload
protection circuits. The maximum is determined by the
breakdown voltage of the ESD protection diode at the input
pin. Taking this into account, V

IS

should be within the range

of 4V-6V in the case of the TOPFET type BUK101-50GL.
In the given circuit the lower limit of V

IS

is determined by

the minimum supply voltage VP on the primary side, the
transformer ratio, and the diode voltage drops at the bridge
rectifier. Zener diode D7 ensures that V

IS

cannot exceed

the upper voltage limit.

The time constant of R2 and smoothing capacitor C2
determine the fall time of V

IS

after the control input at the

primary side goes low. A fall time significantly longer than
that chosen here should be avoided for the following
reason.

After a TOPFET has turned off to protect itself, it is latched
off so it stays in the off-state as long as V

IS

is high. To reset

the TOPFET, V

IS

must go low. In this circuit this happens

when the control input at the primary side goes low,
disconnecting the drive pulses from the gate of T1. On the
secondary side, this allows C2 to be discharged by R2 and
hence V

IS

to decrease. When V

IS

has fallen below the

protection reset voltage level V

ISR

, the fault latch will reset

and an internal transistor, which holds the gate low, will turn
off. The gate voltage will now rise to the C2 voltage and the
TOPFET’s output MOSFET will conduct again. The
MOSFET will be fully off when V

IS

falls below the TOPFET

threshold voltage V

IS(TO)

. In the range between V

ISR

and

V

IS(TO)

(max. 3.5V-1V for the BUK101-50GL) the output

MOSFET may conduct while the protection circuits are
non-active. For safe reset of a latched TOPFET with a
shorted load, this V

IS

-range must be passed through within

a limited time interval. With the dimensioning of R2 and C2
shown in Fig. 1, this time interval is approximately 130 

µ

s.

The BUK101-50GL is guaranteed to withstand a hard short
circuit for > 300 

µ

s at a battery voltage of 35V and V

IS

=5V.

So the chosen values of R2 and C2 ensure safe turn-off of
the TOPFET.

P

D7

5V1

R2
5k6

C2
10n

&

100kHz

Control

Input

R3

1k

T1

BST72A

D1

1N4148

D2

15v

VP

D3...D6

4x1N4148

TOPFET

BUK101-50GL

R1

240

Pulse Transformer

e.g. PE5163X

462

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

5.3.10  3 pin and 5 pin TOPFET Leadforms

The TOPFET (Temperature and Overload Protected
MOSFET) range of devices from Philips Semiconductors
is based on conventional vertical power MOSFET
technology with the advantages of on-chip protection
circuitry. Using this approach the devices are able to
achieve the very low values of RDS(on) which are required
in applications for automotive and other power circuits.
TOPFET devices are currently available in two topologies
for maximum compatibility with the requirements of circuit
designers.

3-pin TOPFETs

R

thj-mb

5-pin TOPFETs

R

thj-mb

TO220

(K/W)

SOT263

(K/W)

BUK100-50GL

3.1

BUK104-50L

3.1

BUK100-50GS

3.1

BUK104-50S

3.1

BUK101-50GL

1.67

BUK105-50L

1.67

BUK101-50GS

1.67

BUK105-50S

1.67

BUK102-50GL

1.0

BUK106-50L

1.0

BUK102-50GS

1.0

BUK106-50S

1.0

Table 1.  3-pin and 5-pin TOPFET

 

type ranges

Fig. 1  TO220AB

The 3-pin TOPFETs are assembled in the standard
TO220-AB package (Fig. 1), which is also sometimes
known as SOT78. The 5-pin versions are assembled in the
SOT263 PENTAWATT package (Fig. 2). Depending upon
the load and the application the devices can be operated
in free air or attached to a heatsink. When using a heatsink
the advantage of these outlines lies in the very low thermal
impedance which can be achieved. Table 1 shows the
thermal resistances for the range of TOPFET devices.

Although these outlines are industry standards, on
occasions users have the need to form the leads of the
devices

to

accommodate

a

variety

of

assembly

requirements. Philips Semiconductors can offer a number
of standard pre-formed leadbend options to make the
purchase and specification of leadformed devices easier.

These pre-forms satisfy the basic rules concerning the
bending and forming of copper leads and ensure that, for
example, the bend radius is not less than the thickness of
the lead and that there is sufficient material at the base of
the plastic moulding to enable the act of pre-forming to take
place without damage to the crystal or its die attach and
wire-bonding.

Fig. 2  SOT263

Figure 3 shows leadform option L02 for a TO220 type. A
device with this standard leadbend can be ordered by
specifying /L02 as the suffix for the device type. For
example, a BUK101-50GL with this leadbend is specified
by ordering type BUK101-50GL/L02.

In addition to this, there is often the necessity to crop the
tab off the device to make a low profile version, when height
above the pcb is restricted. Again, without control, there is
a risk of fracturing the crystal during this process but Philips
Semiconductors can offer this option (SOT226), shown in
Fig. 4, which can be ordered by specifying the suffix /CR
to the device type number, eg. BUK102-50GS/CR.

For surface mountable TOPFETs, the leadbend option L06
means that the device can be used in applications where
a low profile is required. With this option an electrical contact

10.3
max

3.6

2.8

2.4

0.6

4.5 min

5.9

min

15.8

max

1.3

13.5

min

1.7

(4 x)

0.9 max

(5 x)

2.4
max

0.6

min (4 x)

10,3
max

3,7

2,8

5,1

1,3 max (2x)

2,4

0,6

4,5 min

5,9

min

15,8

max

1,3

2,54 2,54

0,9 max (3x)

13,5

min

463

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

from the pcb to the tab of the device is possible. The device
is shown in Fig. 5 and, for the BUK100-50GS would be
specified as the BUK-100-50GS/CRL06.

For the 5-pin TOPFET the device is available in the leadbent
SOT263 outline as standard (Fig. 6). For the leadform
option the device type number is modified by the addition
of the suffix P to the SOT263 type name, eg BUK104-50L
(SOT263) becomes BUK104-50LP (leadbent SOT263).

Fig. 3  TO220, L02 leadbend

Fig. 4  SOT226

Fig. 5  SOT226, L06 leadbend

Fig. 6  SOT263, leadbend

Bend radius 0.5

+ -

0.125   0.125

3.4   0.2

+-

1.3   0.2

0.72   0.15 FLAT

+-

+-

1.3

1.3 MIN. TINNED

30o

2.54 +- 0.3

12

0.5

+-

2.5 +- 0.3

Bend radius 1.0

10.3
max

3.6

2.8

2.4

0.6

4.5 min

5.9

min

15.8

max

1.3

1.7

(4 x)

0.9 max

(5 x)

2.4

max

0.6

min (4 x)

8.2

4.5

9.75

5.6

5

All radii >0.5

12.7 min

1.3

464

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

5.3.11  TOPFET Input Voltage

Low side TOPFET data sheets specify that the voltage
between the input and source pins should not be less than
0 V, in other words should not go negative. In many
circumstances, sound layout using normal logic gates will
ensure that this condition is always satisfied. However, in
some situations it is difficult to design a circuit in which this
condition is met under all conditions. This section explains
the reason for the quoted rating and shows that it is a limit
in only a few circumstances. The paper will also illustrate
how negative inputs can be generated. Section 5.1.12
shows how negative inputs can be prevented and
recommends a simple method of stopping a TOPFET being
damaged if negative inputs do occur.

Reason for specification limit

All the pins of a low side TOPFET are protected against
ESD. The input pin - the most sensitive pin of a normal
MOSFET - is protected by a special diode connected
between the input and the source. In the presence of an
ESD pulse, this diode conducts and clamps the voltage on
the input pin to a safe level.

The diode is formed by an area of n++ in a p+ region which
is diffused into the n- epi layer, see Fig. 1. The input pin is
connected to the n++ region and then to the rest of the
circuits. The p+ region is connected by the metalisation to
the source area of the power MOSFET part of the TOPFET.
However, the p+ region also connects to the n- epi layer
and hence to the drain via the n+ substrate. The ESD diode
is formed by the n++ / p+ junction. However, the n++ and
p+ diffusions in the n- epi also create a parasitic npn
transistor. It is the presence of this transistor which makes
the negative input rating necessary.

Fig. 1  Cross section of TOPFET ESD diode

With an input potential lower than the source potential, the
input acts as an emitter, the drain as a collector and the
source as a base, so the potential difference will act as bias
for the parasitic transistor. The diffusion concentrations
used to create a good ESD protection diode create a
transistor with a limited forward SOA. The characteristics
of the transistor mean that it can be damaged if its V

CE

is

greater than 30 V when its base is forward biased. For the
TOPFET this means that damage could be caused only if
the input goes negative while the drain voltage is > 30 V.

It should be noted that the conditions which may damage
the transistor assume the impedance of the bias supply is
low. If the bias is restricted the limits of SOA are different
so the drain voltage needed for damage will be different. In
any event at drain voltages < 30 V, a negative input will
cause the parasitic transistor to conduct but will not cause
damage.

Conditions creating negative input

The most obvious effect of the minimum V

IS

is to preclude

the use of negative drive to speed up turn off. However, this
technique is only justifiable in very high frequency circuits
and TOPFET is intended for use in DC or low frequency
applications, so it is unlikely that this type of drive will be
under consideration. The typical TOPFET driver stage will
be unipolar using gates or discrete transistors from positive
supply rails only. These drivers will turn the TOPFET off
either by removing the drive and allowing TOPFET to turn
itself off, via its internal pull down resistor, or by pulling the
input to zero volts. It would appear, therefore, that negative
inputs should not occur, but in some situations and with
some circuit configurations they can.

High side circuits

A negative input can be created if an overvoltage transient
is applied to an off-state TOPFET being used as a high side
switch. A TOPFET will start to conduct if a supply line
voltage transient exceeds its clamping voltage. The current
now flowing through the TOPFET will also flow through the
low side load, raising the source potential above ground.
The driver stage may be designed to turn the TOPFET off
by pulling the input to ground as in Fig. 2. If it is, then the
conditions for harmful negative input have been created -
the drain voltage is > 30 V, the input is at ground and the
source potential is higher, so the input is negative.

n+ substrate

n- epi

p+

to source

from input pin

to other circuits

ESD diode

anode of

ESD diode 

cathode of

p++

p++

n++

465

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 2  Driver taking input to ground - high side

Low side circuits

In some circumstances it is possible to create negative input
in a low side configuration. In the previous example it was
a small current in relatively large resistance that raised the
source above ground. The same effect can be created by
a large current in the low, but not negligible, resistance of
the wiring between the source pin and ground.

Systems are often configured with separate power and
signal grounds and it is possible that the driver will be
referenced to signal ground, see Fig. 3. In this case the
TOPFET input will be pulled to signal ground potential when
it is being turned off. The source will be connected to power
ground and the common connection between the grounds

may a considerable distance from the TOPFET. The
resistance of the wiring will be low but even 20 m

may be

significant if the current is high.

Fig. 3  Low side switch - separate grounds

There are two occasions when a large enough current could
be flowing. The first is during the turn-on of a load with a
high inrush current, for example a cold incandescent lamp.
The second is when the load is shorted out. If the TOPFET
turns off while this current is flowing, the energy in the
inductance of the wiring from the load to the TOPFET drain
would raise the drain voltage, possibly to greater than 30 V.
The high current, as high as 60 A, in the source to ground
wiring, say 20 m

, would raise the source 1.2 V above

ground. So, the combination of conditions which may
damage a TOPFET have been created.

The circuits and circumstances mentioned in this paper are
only examples and other hazardous negative input
situations will exist. Methods of preventing negative input
and of stopping a TOPFET being damaged, if negative
inputs do occur, is presented in section 5.1.12.

Vbatt

LOAD

TOPFET

Vbatt

LOAD

VCC

TOPFET

power

ground

signal

ground

466

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

5.3.12  Negative Input and TOPFET

Low side TOPFET data sheets specify that the voltage
between the input and source pins should not be less than
0 V, ie. should not go negative. This limit is needed to
prevent the parasitic transistor, formed by the input ESD
protection diode in the n- epi, being damaged in some
circumstances. The reason for the limit and the causes of
potentially damaging conditions are discussed more fully
in section 5.3.11. This section will show how damaging
negative inputs can be prevented and recommend a simple
method of stopping low side TOPFETs being damaged if
negative inputs do occur.

Fig. 1  High side driver taking input to source

Avoiding negative input

Section 5.3.11 gave examples of high and low side drive
configurations which could, in some circumstances,
generate a potentially damaging negative input. There are
two ways to prevent the input from being taken too low. The
first is to fit a diode in series with the input pin. The cathode
of the diode would be connected to the TOPFET. The diode
would conduct while the driver output was high but would
turn off and isolate the input pin when the driver tried to pull
the input low. The driver would now not be driving the
TOPFET off but would be allowing it to turn itself off via its
internal input - source resistor.

The second method is to arrange the drive so that it turns
the TOPFET off by pulling the input to the source rather
than to ground. The circuit shown in Fig. 1 shows a high
side drive in which this has been achieved. The TOPFET
is turned off by a pnp transistor being turned on and pulling
the input to the source.

Fig. 2  Low side driver taking input to source

Figure 2 shows a low side drive where the GND pin of the
cmos gate is connected as close as possible to the TOPFET
source pin. Once more the effect is to turn off the TOPFET
by pulling the input to source.

If negative inputs cannot be avoided

The technique of referencing drivers to the source pin helps
prevent negative inputs being generated. It is used in most
power MOSFET switching situations and should be used
with TOPFET wherever possible. If negative inputs cannot
be eliminated there are ways of preventing them from
causing damage to a TOPFET.

Although published data gives 0 V as the lower limit of V

IS

,

lower values can be acceptable. The V

IS

limit of 0 V ensures

that the SOA of the parasitic transistor associated with the
ESD diode is never exceeded. The arrangement shown in
Fig. 3. can be used to ensure this. This shows the parasitic
npn transistor of the TOPFET and two additional
anti-parallel diodes in series with the input.

Vbatt

LOAD

VCC

TOPFET

Vbatt

LOAD

TOPFET

467

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 3  Equivalent circuit of protected TOPFET input

If the drive voltage goes negative, the diode D1 (see fig. 3)
is reverse biased and diodes D2 and D3 are forward biased.
The voltage between Source and point A is limited by D3
and the current is limited by R. This voltage is divided
between D2 and the base-emitter junction of the ESD diode.
The current flowing through the ESD diode’s base-emitter
junction is therefore negligible and so the SOA of this
transistor is not exceeded. This means that all the
conditions needed to damage the device can be avoided
and the TOPFET is protected against negative input.

Fig. 4  High side drive with series anti-parallel diodes

In the normal on state, D1 will be forward biased but it will
create a voltage drop of about 0.5 V between point A and
the TOPFET input. To enable a 3 pin TOPFET to protect
itself, its input must be >4.0 V so the designer needs to
ensure that the voltage at A is >4.5 V.

During a normal turn-off the gate discharge current will flow
through the forward biased D2. No special measures are
needed to cope with D2’s voltage drop because 0.5 V is
well below the TOPFET’s threshold voltage so it will be
properly turned off if point A is taken to 0 V.

Fig. 5  Low side drive with series anti-parallel diodes

Figure 4 shows the high side drive of Fig. 1 modified to
include the series anti-parallel diodes, D1 and D2. D3 is
already present in the form of the input voltage limiting zener
so the only extra components are the series anti-parallel
diodes. A modified low side drive is shown in Fig. 5. Here
D1 and D2 are fitted between the output of a cmos gate
and the TOPFET input pin. In this circuit, diode limiting is
provided by the bipolar parasitic diode inherent in cmos
output stages.

Series resistor values

The recommended minimum resistor values are,

Types

Over-voltage

Minimum series

transient

resistor

3-Pin

< 200 V for 2 ms

50 

3-Pin

< 300 V for 2 ms

300 

5-Pin

< 100 V for 2 ms

200 

5-Pin

< 200 V for 2 ms

1000 

5-Pin

< 300 V for 2 ms

2000 

If the negative voltage between point A and the source is
present for a longer period of time than 2 ms then a larger
value of series resistor may be required.

INPUT

DRAIN

SOURCE

A

ESD

diode

D1

D2

D3

R

Vbatt

TOPFET

LOAD

VCC

D1

D2

R

Vbatt

TOPFET

LOAD

D1

D2

D3

R

468

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

5.3.13  Switching Inductive Loads with TOPFET

If there is current flowing in the coil of a solenoid or a relay
then there is energy stored in the inductance. At turn-off
this energy has to be removed from the coil and dissipated
somewhere. During this process, an extremely high voltage
will be generated unless measures are taken to limit it. This
voltage can lead to breakdown and, beyond a certain
energy level, damage to the switching transistor. Common
methods of controlling this voltage are a freewheel diode
in parallel with the inductor or a suppressor diode in parallel
with the switching transistor.

A TOPFET with its overvoltage clamping feature can save
these extra elements, provided that its limiting values are
not exceeded during the turn-off procedure. This section
shows a simplified method of estimating the dissipated
energy and the junction temperature rise in a TOPFET at
inductive turn-off. The equations given here are first order
approximations. They act as an aid in determining the need
for an external freewheel or suppressor element.

Fig. 1  TOPFET. Switching an inductive load

TOPFET behaviour

Figure 1 shows an equivalent circuit diagram and the
shapes of drain current I

D

and drain-source voltage V

DS

versus time for a TOPFET switching an inductor. The
overvoltage clamp feature of TOPFET is represented by a
zener diode that drives the output power MOSFET into
conduction if V

DS

rises too high. In this state the TOPFET

acts as an active clamp element, limiting its own V

DS

to

typically 60V.

Saving of external overvoltage protection

The TOPFET clamp feature is the only voltage limiting
required if the energy associated with turn-off, E

clamp

, does

not increase the TOPFET’s junction temperature too far.
The following section shows how to estimate E

clamp

. Limiting

values for the energies E

DSM

for non-repetitive clamping and

E

DRM

for repetitive clamping are stated in the data sheet.

E

DSM

relates to a peak junction temperature of 225˚C

reached during clamping which is acceptable if it occurs
only a few times in the lifetime of a device. Thus E

DSM

should

only be used when deciding on the necessity for external
protection against overvoltage transients that occur
extremely rarely.

However, when switching inductive loads, absorbing E

clamp

is a normal condition. So to achieve the best longterm
reliability, the peak junction temperature should not exceed
150˚C. A method for estimating the peak junction
temperature is given later.

In this type of repetitive clamping application, the E

DRM

rating

in the data sheet can be compared with E

clamp

to give an

initial indication of need for external voltage limiting. This
initial assessment should be followed by a temperature
calculation to find the maximum allowable mounting base
temperature and thus the heatsink requirements.

Estimation of clamping energy

The energy stored in the coil of a solenoid valve or a relay
with the inductance L at a current I is:

The clamping energy E

clamp

in the TOPFET during an

inductive turn-off follows from equation (1) and the fact that,
during clamping, the battery also delivers energy to the
TOPFET:

In (2) I

D0

is the drain current at start of turn-off, V

(CL)DSS

the

TOPFET’s typical drain-source clamping voltage, V

bat

the

battery voltage and L the load inductance. Equation (2)
assumes an inductor with no resistance. In practice, there
will be some resistance, which will dissipate a fraction of
E

clamp

. Therefore, (2) represents a worst case situation.

0

0

ID0

V

(CL)DSS

V bat

Input

Drain

Source

Equivalent

TOPFET Drain-Source Voltage

TOPFET Drain Current

Figure 1a

Figure 1b

to TOPFET

at turn-off

E

L

=

1
2

L I

2

(

1

)

E

clamp

=

1
2

L I

D0

2

V

(

CL

)

DSS

V

(

CL

)

DSS

-V

bat

(

2

)

469

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Estimation of junction temperature

The peak junction temperature during clamping can be
estimated by adding the maximum temperature rise

T

j

to

the average junction temperature, T

j0

.

Measurements have shown that

T

j

can be approximated

by

Where Z

th

is the transient thermal impedance for a pulse

width of of the time in clamping, which, for a coil resistance

of zero Ohms, is:

Average dissipation will make T

j0

higher than the mounting

base temperature T

mb

, which can be assumed as constant,

if the TOPFET is mounted on a heatsink. In repetitive
switching applications, both on-state losses and turn-off
losses contribute to the average dissipation. So T

j0

will be:

In (6) I

RMS

is the root mean square value of the load current

and R

DS(ON)

is the on-state resistance of the TOPFET. In

non repetitive applications, the average dissipation is the
on state dissipation so T

j0

is:

If these calculations indicate that the peak junction
temperature is less than T

j max

, then external voltage limiting

is not needed.

Calculation examples

Both examples are carried out for V

bat

=13 V and a

BUK101-50GS with a clamping voltage of 60 V. For
calculation of on-state losses, the maximum R

DS(ON)

at

T

j

=150˚C of 87.5 m

is taken.

Example 1:

  An inductor with L=10 mH is switched off

non-repetitively at a dc current I

D0

=7 A.

(5) gives

 = 1.5 ms. The BUK101 data curve indicates

a Z

th

of about 0.28 K/W at t

clamp

/3 = 500 

µ

s. (4) then gives

a

of about 100 K. It is a non repetitive application so

use (7) to find T

j0

, which indicates that T

j

is about 7˚C above

T

mb

due to on-state losses. From the

and T

j0

figures it

can be inferred:
T

j,pk

< 150˚C for T

mb

< (150-100-7)˚C = 43˚C.

Example 2:

  An inductor with L=3 mH is switched at

I

D0

=4 A and a frequency of 100Hz and a duty cycle of 0.5.

(2) yields a clamp energy of 31 mJ, which is less than the
E

DRM

rating of the BUK101 of 40 mJ so repetitive clamping

is allowed. (6) yields that T

j0

will be about 8 K above T

mb

.

From (4) and (5),

can be estimated to be < 30 K. These

figures imply that this load can be safely driven if the T

mb

of

the BUK101-50GS is < 112˚C.

T

j

,

pk

=

T

j0

+ ∆

T

j

(

3

)

T

j

=

5
6

V

(

CL

)

DSS

I

D0

Z

th

(

4

)

1

3

t

clamp

t

clamp

=

L

I

D0

V

(

CL

)

DSS

V

bat

(

5

)

T

j

T

j

T

j0

=

T

mb

+

E

clamp

f

+

I

RMS

2

R

DS

(

ON

)

R

th

,

j

mb

(

6

)

T

j

T

j0

=

T

mb

+

I

D0

2

R

DS

(

ON

)

R

th

,

j

mb

(

7

)

470

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

5.3.14  Driving DC Motors with TOPFET

Examples for motor drive circuits using low side TOPFET
have already been given in section 5.3.7: "Linear Control
with TOPFET", and section 5.3.8: "PWM Control with
TOPFET". This section discusses the characteristics of DC
motors that have to be considered when designing a drive
circuit with low side TOPFET and gives examples of some
basic drive circuits.

Important motor characteristics

The permanent magnet motor is the most common type of
motor for driving a wide range of applications including
small industrial drives, cooling fans and model cars.
Therefore, the following discussions are based on this type.
The equivalent circuit of these motors is shown in Fig. 1,
where R

A

and L

A

represent the resistance and inductance

of the armature.

Fig. 1  Equivalent circuit for PM DC motor

Inrush current

Correct operation of some mechanical loads creates a
special starting torque requirement for the motor. Since
motor torque is proportional to motor current, high starting
torque can only be achieved if the inrush current is allowed
to be high. The TOPFETs BUK100...BUK106 do not use
current limiting techniques to provide overload protection,
so the inrush current they can deliver to a motor is limited
only by the forward transconductance g

fs

. To meet extreme

starting torque requirements, an ’S’type with 10 V control
is to be preferred over an ’L’ type with 5 V control because
’S’ types can deliver approximately twice the current of ’L’
types. Typical currents can be judged from the data sheet
I

D(SC)

in the section TRANSFER CHARACTERISTICS.

Stall current

The stall current of a dc motor is limited by the armature
resistance, R

A

in Fig. 1, and can reach values of 5-8 times

the nominal current. This current will cause overheating in
the motor which may damage the winding insulation or
demagnetize the stator magnets.

The current would also cause extra dissipation in the driver
but a TOPFET, with its over temperature protection, would
survive a permanent stall condition. In addition, with careful
thermal design, the TOPFET can also be used to prevent
damage to the motor.

Inductive kick back at turn-off

The energy stored in the armature inductance, L

A

, has to

be removed when the motor is turning off. As in the case
of inductive loads such as solenoid valves and relay coils,
this is usually done by a freewheel diode. Provided that the
energy is within its E

DRM

rating, a TOPFET’s overvoltage

protection feature can be used instead of a freewheel diode.
Section 5.3.13: "Switching Inductive Loads with TOPFET",
covers this topic in more detail and gives a simple
calculation method to assess the need for a freewheel
diode. If overtemperature shutdown due to a stalled motor
can occur, a freewheel diode is generally recommended.
Without freewheel diode the TOPFET would have to absorb
a very high energy at a junction temperature of at least
150 ˚C.

In the case of pulsed operation of the motor (e.g. pulse
width modulation for speed control), the use of a freewheel
diode is advisable. Without it, motor current ripple would be
higher and the loss in the switching device could be as high
as it would be in a linear control circuit.

Special effects of back EMF

Effects at running out

The back EMF, E

A

, of a motor is proportional to the rotational

speed. When the TOPFET is turned off, the motor acts as
a generator and E

A

can serve as the feedback signal in a

PWM control system.

Although the back EMF voltage of many motors is, during
normal running, below its terminal voltage, in some
situations and with some motors the peak back EMF can
exceed the terminal voltage. Shortly after turn-off these
EMF peaks may even exceed the battery voltage plus one
diode drop. In this case the EMF can supply current into
the battery circuit by forward biasing the TOPFET’s
Source-Drain diode (see Fig. 2a). As a result of the internal
structure of a low side TOPFET, the Source-Drain diode
current will create a conduction path from the Input to the
Drain. The current through this path can be limited to a safe

R

A

L

A

E

A

V

M

I A

471

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

value by including a series resistance R

i

as shown in

Fig. 2a. Recommended values for R

i

are 100

for 5V

drivers and 220

for drivers above 6V.

For 5 pin TOPFETs a path is also created from the
Protection Supply and Flag pins. In this case, sufficient
current limiting is often provided by the resistors that are
fitted to connect the Flag and Protection Supply pins to Vcc
(see Fig. 2c). The actual resistor values must be
determined from consideration of the TOPFET and control
circuit data sheets.

Effects of intermittent short circuit

When a TOPFET’s short circuit protection has tripped due
to a short circuited motor, the motor will continue to turn. In
this situation the motor acts as a generator and its current
is reversed. The motor will lose rotational energy and, if the
short circuit remains long enough, will stop. In practice
however, contact sparking can cause intermittent short
circuits. In this case the short circuit may be interrupted
before the motor has stopped. After the interruption the
generator current will continue to flow, forced by the
armature inductance L

A

. A path for this negative current into

the battery is provided via TOPFET’s Source-Drain diode.
As described in the above section, currents into Input,
Protection Supply and Flag terminals should then be limited
by means of series resistances.

Besides this, TOPFET’s internal circuits are non-active
while its Source-Drain diode is forward biased and a
previous overload shutdown will not stay latched. As a
consequence, a TOPFET that has turned off due to a short
circuit across its motor load may turn on again if the short

circuit opens before the motor has stopped. This behaviour
will not damage the TOPFET. However, Figs 2b and 2c
show ways of avoiding it if it is not acceptable.

The first method (Fig. 2b) is to avoid forward biasing of
TOPFET’s Source-Drain diode by means of a series diode
D1. An alternative path for the generator current is provided
by zener diode D2. (It is worth noting that interruption of the
current path with D1 will be required in applications where
reverse battery must not activate the motor.) If the inclusion
of a power diode into the motor circuit is not acceptable the
alternative shown in Fig. 2c can be used. In this approach
the flag signal sets an external latch when the TOPFET is
tripped by the short circuit. In this way the TOPFET status
is stored even when its Source-Drain diode is forward
biased.

If

the

TOPFET

is

being

driven

from

a

microcontroller, the ’latch’ function could be implemented
in software.

Fig. 2  Basic motor drive circuits with TOPFET

a) Simplest

circuit

b) Reverse

blocking

c) External

latching

Ri

Ri

Vbat

Vbat

Vbat

Vcc

D

D

D

S

S

S

I

I

I

F

P

D1

D2

M

M

P

P

P

Ctrl

Ctrl

M

Ctrl

Latch

472

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

5.3.15  An Introduction to the High Side TOPFET

The introduction of high side TOPFETs enhances the range
of protected power MOSFETs available from Philips. These
devices combine the real power handling ability of low
R

DS(ON)

MOSFETs with protection circuits and the interfacing

to allow ground referenced logic signals to control a high
side switch.

Type range

Table 1 shows the range of high side TOPFETs. Included
in the range are devices with on-state resistance in the
range 38 to 220 m

. For each of the types an ’X’ or ’Y’

variant can be supplied (’Y’ types have an additional internal
resistor in the ground line). All the devices are 50 V types
designed for use in 12 V automotive systems.

Type

R

DS(ON)

( m

)

BUK200-50X / BUK200-50Y

100

BUK201-50X / BUK201-50Y

60

BUK202-50X / BUK202-50Y

38

BUK203-50X / BUK203-50Y

220

Table 1. High side TOPFET type range

Features

Particular care has been taken during the development of
the high side TOPFET to make a device which closely
matches the requirements of the automotive designer.

Overload Protection -

High side TOPFETs are protected from the full range of
overload conditions. Low level overloads which result in
higher than expected dissipation can cause the TOPFET
to overheat. In this case the overtemperature sensor will
trip and the TOPFET will turn itself off until the chip
temperature falls below the reset point. In the event of a
medium level overload, which could allow a high current to
flow, TOPFET will limit the current, and hence dissipation,
to a level which allows the overtemperature sensor time to
react and turn the TOPFET off until it cools sufficiently. In
high overload situations, like hard short circuits, the voltage

developed across the TOPFET will cause the short circuit
detector to react and latch the TOPFET off until it is reset
by toggling the input. Both modes of overload turn-off are
reported by pulling the status pin low.

Supply undervoltage lockout -

If the battery to ground voltage is too low for its circuits to
work correctly a high side TOPFET will turn off.

Open load detection -

TOPFET monitors its own on-state voltage drop. If the drop
is too low, indicating that the current is very small probably
because the load is open circuit, TOPFET will report this
by pulling the status pin low.

Quiescent current -

One factor of great importance, particularly as the number
of devices in a car increases, is quiescent current. In
TOPFETs, the supply which feeds the circuits is turned off
when the input is low. This reduces off state current
consumption from typically 25 

µ

A to less than 1 

µ

A.

Ground resistor -

For the fullest protection against the harsh automotive
electrical environment, it is often necessary to fit a resistor
between the ground pin of a high side device and module
ground. To help with this the Y types of the TOPFET range
have this resistor integrated on the chip. Apart from the
obvious saving in component count, this approach has the
advantage that the resistor is now in a package where its
dissipation can be easily handled. (This feature is
particularly useful when long duration reverse battery
situations are being considered).

Inductive load turn-off clamping -

TOPFETs have a network between the MOSFET gate and
the ground pin. This network sets the maximum negative
potential between the load and ground pins. If the potential
tries to exceed this figure, for example during inductive load
turn-off, TOPFET will partially turn on, clamping the voltage
at the load pin.

473

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

EMC

Electromagnetic compatibility is an increasingly important
factor in all electronic designs. EMC covers the immunity
and the emissions, both conducted and radiated, of
electronic units and systems. The directives and tests are
rarely applicable to individual electronic components
although the behaviour of devices can have a significant
influence on EMC performance. In recognition of this,
TOPFET has been designed to create as few EMC
problems as possible.

Test Voltage

Pulse width

Pulse 1a

-100 V

0.05 ms

Pulse 1b

2 ms

Pulse 2a

+100 V

0.05 ms

Pulse 2b

0.5 ms

Pulse 3a

-200 V

0.1 

µ

s

Pulse 3b

+200 V

0.1 

µ

s

Pulse 5

+46.5 V

400 ms

Table 2. TOPFET transient tests

Conducted immunity -

One area where TOPFET helps with EMC is with its inherent
immunity to conducted transients. The voltage supply of a
vehicle is notorious for its transients and circuits and
systems have to be designed to handle them. On the
TOPFET chip are separate circuits which allow the output
MOSFET and the control circuits to withstand transients
between the battery and both the load and ground pins. The
range of transients which high side TOPFETs can survive
is shown in Table 2.

Low emission -

High side switch devices generate their gate drive voltage
with oscillators and charge pumps running at high
frequency - often in excess of 1 MHz. Unless care is taken
in the basic design of the device, emissions at the oscillator
frequency or its harmonics can appear at the ground and
load pins.

The TOPFET designers have taken the necessary care.
The appropriate choice of oscillator and charge pump
circuits and the inclusion of on-chip filtering have reduced
emissions

considerably.

Some

indication

of

the

improvement can be obtained by simply looking at the
current in the ground pin with an AC coupled current probe.
Waveforms for the ground pin current of a Philips TOPFET
and another manufacturer’s high side switch are shown in
Fig. 1.

a) Philips TOPFET

b) Manufacturer ’B’

Fig. 11.   High side switch Ground pin current

Conclusions

High side TOPFETs are real power devices designed for
controlling a wide range of automotive loads. The care
taken during their design means that TOPFETs are
compatible with circuit designers’ protection and EMC
requirements.

Average ground pin current (0.5 mA/div) 

time (1 us/div)

Average ground pin current (0.5 mA/div) 

time (1 us/div)

474

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

5.3.16  High Side Linear Drive with TOPFET

This section describes a complete high side linear drive
circuit using a TOPFET. A low side linear TOPFET drive
circuit is described in section 5.3.7 and the principal pros
and cons of linear versus PWM drivers are discussed there.
The most important differences between high and low side
linear drives are:

- The high side drive needs a charge pump circuit to provide

an input voltage higher than the battery voltage.

- In the high side drive the load provides negative feedback

for the output transistor. Therefore, the control loop circuit
needed to maintain stability in a low side drive can be
saved.

The circuit described in this paper was designed for and
tested with a 200W fan motor for cars.

Circuit description

The complete high side linear drive circuit can be split up
into two blocks:

- The drive circuit

- The charge pump

Drive circuit

Figure 1 shows the drive circuit. Motor speed is controlled
by changing the TOPFET’s input voltage and therefore its
voltage drop. A 5-pin TOPFET is used because this type
allows the protection circuit to be supplied independently
of the input. This is necessary because in this application
the input-source voltage may become too low to supply the
protection circuit of a 3-pin TOPFET.

The TOPFET’s input voltage and therefore the speed of the
fan motor is determined by potentiometer R5. The TOPFET
is operating as a source follower. The inherent negative
feedback of this configuration will automatically ensure that
the source potential will equal the input potential (minus the
gate-source voltage) no matter what current is flowing in
the motor.

An increase in motor load will tend to slow the motor
reducing its back EMF and creating a demand for extra
current. The extra current would increase the voltage drop
across the TOPFET, lowering the source potential. Since
the input potential has been set, the lower source potential

increases the gate-source voltage turning the TOPFET on
harder. The voltage drop will now reduce, returning the
source - hence motor voltage - to its original value but at a
higher current level. All of this means that even without an
external feedback network, motor speed is inherently
stable, although not absolutely constant, under the full
range of motor loads.

Transistor T2 works as a current generator and supplies
the protection circuit of the TOPFET. T2 is switchable via
transistor T1 and Schottky diode D3. If the potentiometer
is in position A, transistors T1 and T2 are switched off
allowing R11 to pull the protection supply voltage to 0 V.
This feature means the TOPFET, if it has tripped due to
over temperature or overload, can be reset by turning the
potentiometer to position A.

Position A is also the standby mode. With both transistors
switched off, the drive circuit has a very small current
consumption. This means that in standby the current
consumption of the whole circuit (drive and charge pump)
is about 0.3mA.

Fig. 1  Drive circuit

B

A

R5

1M

R6

1M

R7
15k

R8

7.5k

BAW62

2x

D4

BAS83

T1

BC548

T2

BC558

D5

D6

R9

110k

R10

240

R11

100k

R12
100k

R13
100k

Motor

Vbat

Z2
BZX79/
C10

BUK106-

D7

BAW62

50L

Vcp

0V

P

F

I

D3

P

Fan

D

S

475

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

TOPFET interface

Negative potentials are not permitted between a TOPFET’s
protection supply (P), input (I) or flag (F) and its source.
This must be considered, especially when designing high
side drivers, where the source potential is determined by
the load voltage.

If an overvoltage pulse occurs at the supply terminal while
the TOPFET is off, the source potential will rise with the
overvoltage as soon as the TOPFET’s clamp voltage is
exceeded. At this time the P,F and I pins should not be
clamped with reference to ground, but should be allowed
to rise with the source potential. In this circuit this is
achieved by diodes D5 and D6 in the feeds to the I,P and
F pins.

Zener diode Z2 limits the maximum protection supply and
flag voltages to about 10 V and, via D4, the input-source
voltage to about 10.6 V. Resistor R7 has a value high
enough to allow the TOPFET’s internal protection circuits
to turn off the device in the event of an over temperature or
short circuit load.

Charge pump

Figure 2 shows the charge pump circuit. IC1 works as an
astable pulse generator at a frequency of 20 kHz which,
together with D1, D2, C4, C5 produces a voltage doubler.
The ICM7555 is a type with low current consumption. This
is an important feature because the circuit consumes
current, even when the driver circuit is in standby mode.

In its normal operating mode, the drive circuit has a typical
current consumption of 1.5mA which determines the values
of C4 and C5. R4 is included to limit the output current of
IC1. The charge pump generates an output voltage of about
22V at a battery voltage of 12.6V. Z1, R1 and C1 will smooth
and limit the supply to the circuit and provide protection
from voltage spikes.

For correct operation of TOPFET’s active protection
circuits, sufficient voltage has to be applied to its protection
pin. The minimum protection supply voltage for the
BUK106-50L is 4V for input voltages Vis up to 6.5V (see
data sheet Fig. 17). For the circuit presented and the
component values given, this requirement is met with a
battery voltage as low as 8 V. If operation at a lower battery
voltage is needed then a voltage tripler charge pump could
be used in place of the voltage doubler proposed in this
paper.

Fig. 2  Charge pump circuit

Z1

BZD23/
C15

R1

200

10u/
22V

R2

C1

330k

R3

160k

C2

100p

8

7

6

2

5

3

4

ICM

7555

D2

BAW62

C3
22n

+

+

C4
10u/
22V

C5

10u/

22V

BAW62

R4

160

Vbat

Vcp

0V

D1

IC1

1

476

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Automotive Ignition

477

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

5.4.1  An Introduction to Electronic Automotive Ignition

The function of an automotive ignition circuit is to provide
a spark of sufficient energy to ignite the compressed air-fuel
mixture at the appropriate time. Increasingly, electronics is
being used to optimise the ignition event. This is now
necessary

to

ensure

conformance

with

emission

regulations and to achieve maximum engine performance,
fuel economy and engine efficiency. This section will look
at some important aspects of the power stage of an
electronic ignition system. Other sections in this chapter will
look more closely at the power devices for this application.

Electronic ignition circuit

There are several different configurations for electronic
ignition. Some are still being studied and there are several
already in use. But by far the most common configuration
for the power stage is that shown in Fig. 1. With this
arrangement there is no distributor. The circuit shown is for
a four cylinder engine and has two separate power circuits
each feeding two cylinders. Extra power stages can be
added for 6 and 8 cylinder engines. When one power stage
fires, both plugs will spark but, by choosing pairs of cylinders
which are 360˚ out of phase in the 4-stroke cycle, only one
will have a mixture that can be ignited - the other will be
approaching tdc at the end of the exhaust stroke.

Operation

During normal operation the transistor will be turned on
some time before the spark is needed (t1 in Fig. 2). Current
will now rise at a rate given by the equation

where V is the voltage across the primary of the coil. When
the spark is needed (t3), the transistor is turned off. The
current in the inductance will try to stop flowing but it can
only change at the rate given by (1). This means that voltage
on the primary is forced to become large and negative.
Transformer action increases the secondary voltage until
it reaches the voltage needed to create a spark at the plugs
- minimum 5 kV but may be 10 to 30 kV. Current now flows
through the spark and the secondary winding, the voltage
now falls back to that necessary to maintain the current in
the spark, t5. When all the coil energy has been delivered,
t6, the voltage at the collector falls to the battery voltage.

Fig. 1  Typical automotive ignition circuit

Spark energy

Under ideal conditions the mixture can be ignited with a
spark energy of 0.3 mJ but, for reliable ignition under all
possible engine conditions, spark energies in the range
60mJ to 150mJ are needed. The energy comes from the
coil and is the energy stored as flux generated by the current
that was allowed to build up in the primary. The energy
stored in the magnetic field of the coil is:

Timing

The timing of the spark is one of the most critical factors in
achieving optimum engine performance. The controller
uses information about engine speed, temperature, fuel etc.
to decide how far before tdc the spark is needed. It then
uses data from crankshaft position sensors to decide when
to signal for a spark.

One factor which the controller cannot control is the delay
between it issuing the command to spark and the spark
being generated. Part of this delay is the time it takes the
transistor to start turning off together with the rate at which
the transistor voltage rises. The controller can make
allowance for this delay but in many systems this is no more
than a fixed offset. In practice the delay will vary with
variations in the drive circuit, temperature and between
devices - with some transistor types being more susceptible
to variation than others.

Ignition

Switch

-

+

Battery

Clamp

Dynamic

Ignition

Controller

Electronic

Switch

Coil

E

prim

=

1
2

L

prim

i

2

(

2

)

rateofrise

=

di
dt

=

V
L

(

1

)

479

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

a) Coil current

b) Transistor collector voltage

Fig. 2  Ignition circuit waveforms

Dwell

As mentioned earlier, proper ignition means there must be
enough energy stored in the coil when the spark is needed,
so the transistor must be turned on soon enough to allow
time for the current to reach the required level. However,
turning on too soon will mean that the current is higher than
it needs to be. Although proper spark timing and energy is
more important, optimum coil current is also significant.
Higher currents create higher loss which reduces efficiency
and increases the problems of thermal management. They
can also reduce the life and reliability of the coil and create
major difficulties when designing for survival under fault
conditions like open circuit secondary.

The time to turn on the transistor is governed by (1). Coil
inductance is an attribute of the coil but the primary voltage
depends on battery voltage and the voltage drop across the
transistor. Battery voltage can vary widely and can be very

low particularly during engine cranking. Ensuring that the
circuit operates reasonably well at these low voltages
means keeping the transistor voltage drop as low as
possible.

Fault conditions

Automotive systems must be reliable. Achieving high
reliability means designing systems that can survive all the
operating environments that the automobile can produce.
Some of the harshest conditions are the fault conditions.

Open circuit secondary

Disconnection of a spark plug lead means that the stored
coil energy cannot be dissipated in the spark. Unless steps
are taken to prevent it, the voltage will be forced higher until
it reaches the breakdown voltage of the transistor. The
combination of high current and voltage would probably
destroy the device. The solution to this problem is to operate
the transistor in dynamic clamping. This can be achieved
either by connecting a network between collector and the
gate/base or by using a device with the network already
integrated into it. With this arrangement the voltage rises
to the clamping voltage, the transistor then turns on
partially, with enough drive to allow the coil current to flow
at a collector emitter voltage equal to the clamping voltage.
The clamping voltage is set higher than the voltage normally
needed to generate the spark.

Reverse Battery

Another condition which must be survived is when the
battery connections are reversed. Ideally no current should
flow and this can be achieved with some transistors which
have a reverse blocking voltage greater than the battery
voltage. With many transistors, however, reverse blocking
is not guaranteed and to block the current means adding a
diode in series. This is rarely acceptable because the diode
forward voltage drop adds too much to the effective voltage
drop. The alternatives are to allow the current to flow either
by using a transistor which is rated to operate with reverse
current or by fitting a diode in anti-parallel with the transistor.

0

2.0

4.0

6.0

2.0

4.0

6.0

8.0

t(ms)

I(A)

t2

t3

t4

0

100

200

300

2.0

4.0

6.0

8.0

t(ms)

Vce(V)

t1

t3 t4

t6

t5

480

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

5.4.2  IGBTs for Automotive Ignition

This publication describes a range of power transistors for
automotive

ignition

applications

from

Philips

Semiconductors. This range of IGBTs has been specifically
optimised for the demanding conditions of ignition circuits.
The IGBT is a voltage controlled, low loss, high power
transistor which gives the ease of drive and low conduction
losses that are required in automotive ignition circuits. The
Philips range of ignition IGBTs includes conventional IGBT
devices with standard gate drive input. It also includes a
range of standard and logic level input protected IGBTs with
integral gate drain and gate source clamping diodes.

Introduction to the IGBT

The structure of an IGBT is similar to that of a Power
MOSFET, both being created by the parallel connection of
many thousands of identical cells. Figure 1 shows the cross
section of one IGBT cell. The only difference between this
drawing and one for a MOSFET would be the polarity of
the substrate - the MOSFET would be n+ rather than the
p+ of the IGBT. Since the gate structures are identical the
IGBT like the MOSFET is a voltage driven device with an
extremely high input impedance.

Fig. 1  Cross section of IGBT cell

Bipolar operation

Where the IGBT differs is in the characteristics of the output
device. Conduction in a MOSFET is by majority carriers
only but the p substrate silicon used for IGBTs promotes
injection and gives bipolar conduction with both majority
and minority carriers. The effect of this is to make the on
state voltage drop of a high voltage IGBT much lower than
that of the same size and voltage MOSFET. This feature is
particularly useful in automotive ignition where high voltage
devices are needed which can operate from low voltage
supplies. In recognition of its combination of MOSFET input
and bipolar output, the terminals of an IGBT are called
Collector, Emitter and Gate.

Input Voltage

IGBTs, like MOSFETs, can have standard or logic level
gate sensitivity. A standard device has a threshold voltage
of typically 3.5 V - the threshold voltage is the gate voltage
needed to allow the IGBT to conduct 1 mA, i.e just started
to turn on. To be fully on, with an acceptable low V

CE

, the

gate voltage needs to be 8.5 V. In some situations, such
as engine cranking, the battery voltage falls to less than 6 V
and achieving adequate drive may be a problem.

An alternative would be to use a logic level IGBT which has
a threshold of typically 1.5 V and is fully on with 5 V.

Another factor in the choice between standard or logic level,
is that of noise immunity. In this application it can be very
important that the IGBT is fully off, in a very low leakage
state, when the driver stage output is LOW. Unfortunately,
the LOW that a driver produces may not create a gate to
emitter voltage of 0 V.

The threshold voltage of an IGBT falls as temperature rises.
So the gate emitter voltage of a logic level IGBT (at
T

j

 = 120˚C) needs to be < 0.7V to ensure that it is off. A

standard level part, with its higher threshold, has more
immunity and it would still be off if the voltage was < 1.4 V.

Turn off control

The time between the gate signal arriving at the IGBT and
the collector voltage rising is known as the delay time, t

d

.

An ignition system produces a spark when the collector
voltage rises. Since the timing of the spark is critical, it is
advantageous to have good control of t

d

. With the IGBT,

unlike some other ignition switches, t

d

is dominated by gate

charge and so can be very low and is easily controlled by
the resistance of the driver circuit.

Safe Operating Area

One of the worst situations for creating IGBT latch up is
inductive turn off. Such a turn off takes place in electronic
ignition. IGBTs, for ignition applications, are specified with
a safe operating area (SOA) and limiting value of collector
current that can be safely switched under clamped inductive
load conditions (I

CLM

). Providing that the device is operated

within its safe operating area (SOA) dynamic latch-up (or
SOA failure) cannot occur. Philips ignition IGBTs have a
large turn-off SOA and a large energy handling capability
making them easy to use in ignition circuits.

p

p

n

n

n-

p+

Collector

Emitter

Emitter

Gate

481

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Feature

Advantage

IGBTs

•Voltage driven

-Low gate drive power
-Simple gate circuit

•Logic level capability

-Low battery operation

•Bipolar operation

-Low conduction loss
-Small device size

•PowerMOS/bipolar

-Negligible Storage time

structure

-Reverse blocking
-Energy handling

•Large SOA

-No snubber required
-Design flexibility

Clamped IGBTs

•Integral clamp diodes

-Design simplicity
-Overvoltage protection

-

Clamp voltage control

-Improved reliability
-ESD protection

Table 1. Advantages of IGBTs

Reverse Battery

The n- p+ junction, see Fig. 1, which is inherent in the
structure of the IGBT, creates a reverse blocking junction.
This junction, although unable to support very high reverse
voltages, is able to block voltages in excess of a battery
voltage. This gives the IGBT a reverse battery blocking
capability which ensures that reverse battery fault
conditions will not give rise to high currents which could
damage the IGBT or any other components in the ignition
circuit.

Clamped IGBT

A refinement of the conventional IGBT is the clamped or
protected IGBT. This is produced by adding extra

processing stages which allows polysilicon diodes, of
known breakdown voltage, to be integrated with the IGBT
structure. A short chain of diodes is connected between the
gate and the emitter. This gives ESD protection by clamping
the voltage, which can be applied across the gate emitter
oxide, to a safe value.

A much longer chain, with a combined breakdown voltage
of several hundreds of volts, is connected between the
collector and the gate. This chain makes the IGBT into a
dynamic clamp - possibly the best way of ensuring survival
during ignition faults like open circuit secondary. The
position of the diode chains is shown in the circuit symbol,
see Fig. 2.

Fig. 2  IGBT circuit symbols

Conclusions

The Philips Semiconductors BUK854-500IS ignition IGBTs
and clamped IGBTs BUK856-400IZ and BUK856-450IX
are specifically designed to give a low loss, easy to drive
and rugged solution to the demanding applications of
automotive ignition circuits. IGBTs require the minimum of
external components in the gate drive circuit and give
negligible drive losses. The energy handling and reverse
blocking capabilities of the device make it suitable for use
in automotive environments - even under fault conditions.
Voltage clamping and ESD protection give ease of design
and use, improved reliability and performance in the ignition
controller circuit.

gate

collector

emitter

emitter

collector

gate

482

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

5.4.3  Electronic Switches for Automotive Ignition

Earlier sections in this chapter have discussed the nature
of automotive electronic ignition and looked at a range of
IGBTs which have been optimised for use in this type of
application. This section will compare ignition IGBTs with
ignition darlington transistors and come to the conclusions
that IGBTs have several advantages which would be useful
to the automotive designer.

Darlington transistors

In the past, the darlington transistor has been the favoured
power transistor for ignition applications. The darlington
connection is, in fact, a cascade of two separate bipolar
transistors. The combination increases the gain allowing
the high voltage device to be controlled by a relatively low
power driver stage.

Fig. 1  Typical ignition circuit with darlington switch

As the darlington is a bipolar device it has a relatively low
on-state voltage drop even though it can block a high
voltage. The low voltage drop keeps conduction losses low
and allows the ignition circuit to function at low battery
voltages.

The disadvantage of a darlington is the complexity and cost
of the base drive. Even though the gain is improved, by the
darlington connection, a large gate current is still needed
(approx. 100 mA) a circuit similar to that shown in Fig. 1 will
be needed. It would be inefficient and costly to supply a
current this large from the stabilised 5 V rail, so the supply
could be the battery. This means that the drive dissipation
when the transistor is on, is about 1.2 W and the average
dissipation about 0.5 W. This level of dissipation requires
a special driver IC or a circuit using discretes. All of this
adds to the cost complexity and thermal problems of the
ignition system.

The low on-state voltage drop of a bipolar device is the
result of minority carrier injection. However, the minority
carrier injection also introduces ’stored charge’ into the
device which must be removed at turn-off. The charge is
extracted, at least partially, as negative base current during
the period known as the storage time, t

s

. How long this

takes, depends on the amount of stored charge and the
rate it is extracted. The amount of charge varies from device
to device, with the level of the current and with temperature.
The rate of extraction depends on the drive circuit and
whether a ’simple’ circuit like that of Fig. 1 is used or one
which uses negative drive to remove the charge more
quickly.

Fig. 2  Ignition IGBT circuit

Storage time adds to the delay between the input changing
state and the spark being produced and the uncertainty in
storage time, which results from the large number of
variables, adds to the inaccuracy of the ignition timing.

Typical ignition darlingtons often include an internal
antiparallel

diode

connected

across

the

main

emitter-collector terminals as shown in Fig. 1. This diode is
not necessary for the normal operation of the ignition circuit
and its function is simply to protect the darlington from
reverse battery faults. However, during this condition, the
diode does allow large reverse currents to flow through the
ignition circuit.

IGBTs

The IGBT is a combination of bipolar transistor and Power
MOSFET technologies. It has the advantage of the low
on-state voltage drop of a bipolar darlington and can also
be voltage driven in the same way as a Power MOSFET.
This gives a highly efficient, easy to drive, minimum loss
solution for the switching transistor in an ignition circuit.

Coil

bat

Spark
gap

Primary

Coil
Secondary

V

i

C

v

CE

in

RG

V

BUK854-500IS

IGBT

Vin

Vbat

BUV90

Coil

483

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Automotive

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

A typical ignition circuit using the Philips BUK854-500IS
IGBT is shown in Fig. 2; the saving in gate drive
components is self evident. The need for a special driver
stage is eliminated because drive dissipation for an IGBT
will be approximately 10 

µ

W which can be easily supplied

by standard ICs. The BUK854-500IS has a voltage rating
of 500V and standard gate threshold voltage, and is
assembled in the TO220 package.

Clamped IGBTs

One of the most exciting features of IGBT technology is the
ability to integrate protection functions into the IGBT to give
significant advantages to the designer of power circuits.
The BUK856-400IZ and BUK856-450IX are two such
devices which have been specifically designed for
automotive ignition circuits. The BUK856-400IZ is a logic
level device, the BUK856-450IX has a standard gate
threshold. The nominal clamp voltages are 400V and 450V
respectively.

In these devices the dynamic clamp network shown in Fig. 2
is fabricated directly onto the IGBT. This gives guaranteed
clamping of the IGBT at a fixed clamp voltage without the
need for an external circuit. The clamp voltage is held to
very tight tolerances over the full temperature range (-40˚C
to +150˚C) required in automotive applications.

In both these devices gate-source protection diodes have
also been incorporated into the structure of the devices to
give full protection against ESD damage during handling
and assembly of the device into engine management units.

IGBTs and darlingtons - A performance
comparison

The performance of the BUK856-400IZ ignition IGBT has
been compared with that of a typical ignition darlington in
the ignition circuit of Fig. 1.

At turn-off the darlington switched considerably slower than
the IGBT. The time between the input going low and the
spark was 32 

µ

s for the darlington and only 19 

µ

s for the

IGBT.

Table 1 shows a breakdown of the ignition system losses
and demonstrates that whilst the device losses are slightly
higher in the IGBT, the overall losses are higher in the
darlington circuit due to extra loss in the base drive.

Power loss (W)

V

clamp

=400V,  I

Cmax

=6.0A

100Hz, (3000rpm)

IGBT

darlington

Conduction

1.37

1.16

Switching

0.71

0.79

Drive

0.00001

0.5

Total

2.08

2.45

Table 1. IGBT and darlington ignition circuit losses

Conclusion

Table 2 summarises the comparison between the IGBT and
the darlington as the power switch in automotive ignition.
The comparison shows that the darlington is good in the
application but that the IGBT has some clear advantages
making it significantly better.

IGBT

darlington

Driver component count

Low

High

Speed of response, ’time to

Fast

Slow

spark’
Total loss

Better

Good

Drive power

Low

High

Logic level operation

Yes

Yes

Open circuit load

Yes

Yes

Reverse blocking

Yes

No

Package size

Small

Large

Inbuilt voltage clamp

Possible

Possible

Inbuilt protection

Yes

No

Table 2. Performance comparison

484

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

CHAPTER 6

Power Control with Thyristors and Triacs

6.1  Using Thyristors and Triacs

6.2  Thyristor and Triac Applications

6.3  Hi-Com Triacs

485

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Using Thyristors and Triacs

487

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

6.1.1  Introduction to Thyristors and Triacs

Brief summary of the thyristor family

The term thyristor is a generic name for a semiconductor
switch having four or more layers and is, in essence, a
p-n-p-n sandwich. Thyristors form a large family and it is
helpful to consider the constituents which determine the
type of any given thyristor. If an ohmic connection is made
to the first p region and the last n region, and no other
connection is made, the device is a diode thyristor. If an
additional ohmic connection is made to the intermediate n
region (n gate type) or the intermediate p region (p gate
type), the device is a triode thyristor. If an ohmic connection
is made to both intermediate regions, the device is a tetrode
thyristor. All such devices have a forward characteristic of
the general form shown in Fig. 1.

There are three types of thyristor reverse characteristic:
blocking (as in normal diodes), conducting (large reverse
currents at low reverse voltages) and approximate mirror
image of the forward characteristic (bidirectional thyristors).
Reverse blocking devices usually have four layers or less
whereas reverse conducting and mirror image devices
usually have five layers.

The simplest thyristor structure, and the most common, is
the reverse blocking triode thyristor (usually simply referred
to as the ’thyristor’ or SCR ’silicon controlled rectifier’). Its
circuit symbol and basic structure are shown in Fig. 2.

The most complex common thyristor structure is the
bidirectional triode thyristor, or triac. The triac (shown in
Fig. 3) is able to pass current bidirectionally and is therefore
an a.c. power control device. Its performance is that of a
pair of thyristors in anti-parallel with a single gate terminal.
The triac needs only one heatsink, but this must be large
enough to remove the heat caused by bidirectional current
flow. Triac gate triggering circuits must be designed with
care to ensure that unwanted conduction, ie. loss of control,
does not occur when triggering lasts too long.

Thyristors and triacs are both bipolar devices. They have
very low on-state voltages but, because the minority charge
carriers in the devices must be removed before they can
block an applied voltage, the switching times are
comparatively long. This limits thyristor switching circuits to
low frequency applications. Triacs are used almost
exclusively at mains supply frequencies of 50 or 60Hz, while
in some applications this extends up to the 400Hz supply
frequency as used in aircraft.

The voltage blocking capabilities of thyristors and triacs are
quite high: the highest voltage rating for the Philips range
is 800V, while the currents (I

T(RMS)

) range from 0.8A to 25A.

The devices are available as surface mount components,
or as non-isolated or isolated discrete devices, depending
on the device rating.

Fig. 1  Thyristor static characteristic

Fig. 2  Thyristor circuit symbol and basic structure

Fig. 3  Triac circuit symbol and basic structure

On-state
characteristic

Off-state
characteristic

Avalanche
breakdown
region

Reverse
characteristic

Reverse
current

Forward
current

Reverse
voltage

Forward
voltage

IL
IH

V(BO)

I   = 0

G

I   > 0

G

Anode

Anode

Gate

Gate

Cathode

Cathode

p

n

p

n

J1
J2
J3

MT1

MT2

Gate

Gate

MT1

MT2

n

n

n

n

p

p

489

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Thyristor operation

The operation of the thyristor can be understood from Fig. 2.
When the thyristor cathode is more positive than the anode
then junctions J1 and J3 are reverse biased and the device
blocks. When the anode is more positive than the cathode,
junctions J1 and J3 are forward biased. As J2 is reverse
biased, then the device still blocks forward voltage. If the
reverse voltage across J2 is made to reach its avalanche
breakdown level then the device conducts like a single
forward-biased junction.

The ’two transistor’ model of Fig. 4 can be used to consider
the p-n-p-n structure of a thyristor as the interconnection of
an npn transistor T

1

and a pnp transistor T

2

. The collector

of T

1

provides the base current for T

2

. Base current for T

1

is provided by the external gate current in addition to the
collector current from T

2

. If the gain in the base-collector

loop of T

1

and T

2

exceeds unity then the loop current can

be maintained regeneratively. When this condition occurs
then both T

1

and T

2

are driven into saturation and the

thyristor is said to be ’latched’. The anode to cathode current
is then only limited by the external circuit.

Fig. 4  ’Two transistor’ model of a thyristor

There are several mechanisms by which a thyristor can be
latched. The usual method is by a current applied to the
gate. This gate current starts the regenerative action in the
thyristor and causes the anode current to increase. The
gains of transistors T

1

and T

2

are current dependent and

increase as the current through T

1

and T

2

increases. With

increasing anode

current

the loop

gain

increases

sufficiently such that the gate current can be removed
without T

1

and T

2

coming out of saturation.

Thus a thyristor can be switched on by a signal at the gate
terminal but, because of the way that the current then
latches, the thyristor cannot be turned off by the gate. The
thyristor must be turned off by using the external circuit to
break the regenerative current loop between transistors T

1

and T

2

. Reverse biasing the device will initiate turn-off once

the anode current drops below a minimum specified value,
called the holding current value, I

H

.

Thyristor turn-on methods

Turn-on by exceeding the breakover
voltage

When the breakover voltage, V

BO

, across a thyristor is

exceeded, the thyristor turns on. The breakover voltage of
a thyristor will be greater than the rated maximum voltage
of the device. At the breakover voltage the value of the
thyristor anode current is called the latching current, I

L

.

Breakover voltage triggering is not normally used as a
triggering method, and most circuit designs attempt to avoid
its occurrence. When a thyristor is triggered by exceeding
V

BO

the fall time of the forward voltage is quite low (about

1/20th

of

the

time

taken

when

the

thyristor

is

gate-triggered). As a general rule, however, although a
thyristor switches faster with V

BO

turn-on than with gate

turn-on, the permitted di/dt for breakover voltage turn-on is
lower.

Turn-on by leakage current

As the junction temperature of a thyristor rises, the leakage
current

also

increases.

Eventually,

if

the

junction

temperature is allowed to rise sufficiently, leakage current
would become large enough to initiate latching of the
regenerative loop of the thyristor and allow forward
conduction. At a certain critical temperature (above T

j(max)

)

the thyristor will not support any blocking voltage at all.

Turn-on by dV/dt

Any p-n junction has capacitance - the larger the junction
area the larger the capacitance. If a voltage ramp is applied
across the anode-to-cathode of a p-n-p-n device, a current
will flow in the device to charge the device capacitance
according to the relation:

If the charging current becomes large enough, the density
of moving current carriers in the device induces switch-on.

Turn-on by gate triggering

Gate triggering is the usual method of turning a thyristor on.
Application of current to the thyristor gate initiates the
latching mechanism discussed in the previous section. The
characteristic of Fig. 1 showed that the thyristor will switch
to its on-state condition with forward bias voltages less than
V

BO

when the gate current is greater than zero. The gate

current and voltage requirements which ensure triggering
of a particular device are always quoted in the device data.
As thyristor triggering characteristics are temperature
dependant, the amplitude and duration of the gate pulse
must be sufficient to ensure that the thyristor latches under
all possible conditions.

T1

T2

Anode

Cathode

Gate

i

A

i

G

i

C

=

C

.

dv

dt

(

1

)

490

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

During gate turn-on, the rate of rise of thyristor anode
current dI

F

/dt is determined by the external circuit

conditions. However, the whole active area of the thyristor
(or triac) cannot be turned on simultaneously: the area
nearest to the gate turns on first, followed by the remainder
of the device. At turn-on it is important that the rate of rise
of current does not exceed the specified rating. If dI

F

/dt is

excessive then only a limited area of the device will have
been turned on as the anode current increases. The
resulting localised heating of the device will cause
degradation and could lead to eventual device failure.

A suitably high gate current and large rate of rise of gate
current (dI

G

/dt) ensures that the thyristor turns on quickly

(providing that the gate power ratings are not exceeded)
thus increasing the thyristor turn-on di/dt capability. Once
the thyristor has latched then the gate drive can be reduced
or removed completely. Gate power dissipation can also
be reduced by triggering the thyristor using a pulsed signal.

Triac operation

The triac can be considered as two thyristors connected in
antiparallel as shown in Fig. 5. The single gate terminal is
common to both thyristors. The main terminals MT1 and
MT2 are connected to both p and n regions of the device
and the current path through the layers of the device
depends upon the polarity of the applied voltage between
the main terminals. The device polarity is usually described
with reference to MT1, where the term MT2+ denotes that
terminal MT2 is positive with respect to terminal MT1.

Fig. 5  Anti parallel thyristor representation of a triac

The on-state characteristic of the triac is similar to that of a
thyristor and is shown in Fig. 6. Table 1 and Fig. 7
summarise the different gate triggering configurations for
triacs.

Due to the physical layout of the semiconductor layers in a
triac, the values of latching current (I

L

), holding current (I

H

)

and gate trigger current (I

GT

) vary slightly between the

different operating quadrants. In general, for any triac, the
latching current is slightly higher in the second (MT2+, G-)
quadrant than the other quadrants, whilst the gate trigger
current is slightly higher in fourth (MT2-, G+) quadrant.

Fig. 6  Triac static characteristic

Quadrant

Polarity of MT2 wrt MT1

Gate polarity

1  (1+)

MT2+

G+

2  (1-)

MT2+

G-

3  (3-)

MT2-

G-

4  (3+)

MT2-

G+

Table 1. Operating quadrants for triacs

Fig. 7  Triac triggering quadrants

For applications where the gate sensitivity is critical and
where the device must trigger reliably and evenly for applied
voltages in both directions it may be preferable to use a
negative current triggering circuit. If the gate drive circuit is
arranged so that only quadrants 2 and 3 are used (i.e. G-
operation) then the triac is never used in the fourth quadrant
where I

GT

is highest.

On-state

Off-state

Reverse
current

Forward
current

Reverse
voltage

Forward
voltage

IL
IH

V

(BO)

I   = 0

G

I   > 0

G

On-state

Off-state

L

I

H

I

(BO)

V

I   = 0

G

I   > 0

G

T2-

T2+

Quadrant 1

Quadrant 2

Quadrant 4

Quadrant 3

G+

G-

MT2+

MT2-

I

G

I

G

I

G

I

G

+

+

-

-

+

-

+

-

MT2

MT1

491

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

For some applications it is advantageous to trigger triacs
with a pulsating signal and thus reduce the gate power
dissipation. To ensure bidirectional conduction, especially
with a very inductive load, the trigger pulses must continue
until the end of each mains half-cycle. If single trigger pulses
are used, one-way conduction (rectification) results when
the trigger angle is smaller than the load phase angle.

Philips produce ranges of triacs having the same current
and voltage ratings but with different gate sensitivities. A
device with a relatively insensitive gate will be more immune
to false triggering due to noise on the gate signal and also
will be more immune to commutating dv/dt turn-on.
Sensitive gate triacs are used in applications where the
device is driven from a controller IC or low power gate
circuit.

The diac

It is also worthwhile to consider the operation and
characteristics of the diac in the context of multilayer bipolar
devices. The diac is more strictly a transistor than a thyristor,
but has an important role in many thyristor and triac
triggering circuits. It is manufactured by diffusing an n-type
impurity into both sides of a p-type slice to give a two
terminal device with symmetrical electrical characteristics.
As shown in the characteristic of Fig. 8, the diac blocks
applied voltages in either direction until the breakover
voltage, V

BO

is reached. The diac voltage then breaks back

to a lower output voltage V

O

. Important diac parameters are

breakover voltage, breakover current and breakback
voltage as shown in the figure.

Fig. 8  Diac static characteristic and circuit symbol

Gate requirements for triggering

To a first approximation, the gate-to-cathode junction of a
thyristor or triac acts as a p-n diode. The forward
characteristic is as shown in Fig. 9. For a given thyristor
type there will be a spread in forward characteristics of gate
junctions and a spread with temperature.

Fig. 9  Thyristor gate characteristic

The gate triggering characteristic is limited by the gate
power dissipation. Figure 9 also shows the continuous
power rating curve (P

G(AV)

=0.5W) for a typical device and

the peak gate power curve (P

GM(max)

=5W). When designing

a gate circuit to reliably trigger a triac or thyristor the gate
signal must lie on a locus within the area of certain device
triggering. Continuous steady operation would demand that
the 0.5W curve be used to limit the load line of the gate
drive circuit. For pulsed operation the triggering locus can
be increased. If the 5W peak gate power curve is used, the
duty cycle must not exceed

At the other end of the scale, the level below which triggering
becomes uncertain is determined by the minimum number
of carriers needed in the gate-cathode junction to bring the
thyristor into conduction by regenerative action. The trigger
circuit load line must not encroach into the failure to trigger
region shown in Fig. 9 if triggering is to be guaranteed. The
minimum voltage and minimum current to trigger all devices
(V

GT

and I

GT

) decreases with increasing temperature. Data

sheets for Philips thyristors and triacs show the variation of
V

GT

and I

GT

with temperature.

Thyristor commutation

A thyristor turns off by a mechanism known as ’natural
turn-off’, that is, when the main anode-cathode current
drops below the holding value. It is important to remember,
however, that the thyristor will turn on again if the reapplied
forward voltage occurs before a minimum time period has
elapsed; this is because the charge carriers in the thyristor
at the time of turn-off take a finite time to recombine.
Thyristor turn-off is achieved by two main methods - self
commutation or external commutation.

Gate voltage, V G (V)

Gate current, I

G (A)

P        = 5W

= 0.1

= 1.0

VGT

IGT

Failure

to trigger

GM(max)

P     = 0.5W

G(AV)

Gate power

ratings

Gate-cathode

characteristic

δ

max

=

P

G

(

AV

)

P

GM

=

0.5

5

=

0.1

(

2

)

Reverse
current

Forward
current

Reverse
voltage

Forward
voltage

V

(BO)

(BO)

V

I

(BO)

I

(BO)

V

O

V

O

Breakback

voltage

492

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Self Commutation

In self-commutation circuits the thyristor will automatically
turn off at a predetermined time after triggering. The
thyristor conduction period is determined by a property of
the commutation circuit, such as the resonant cycle of an
LC-circuit or the Volt-Second capability of a saturable
inductor. The energy needed for commutation is delivered
by a capacitor included in the commutation circuit.

LC circuit in series with the thyristor

When the thyristor is triggered, the resulting main current
excites the resonant circuit. After half a resonant cycle, the
LC circuit starts to reverse the anode current and turns the
thyristor off. The thyristor conduction interval is half a
resonant cycle. It is essential for proper commutation that
the resonant circuit be less than critically damped. Fig. 10
shows the circuit diagram and the relevant waveforms for
this arrangement.

LC Circuit in parallel with the thyristor

Initially the capacitor charges to the supply voltage. When
the thyristor is triggered the load current flows but at the
same time the capacitor discharges through the thyristor in
the forward direction. When the capacitor has discharged
(i.e. after one resonant half-cycle of the LC circuit), it begins
to charge in the opposite direction and, when this charging
current is greater than the thyristor forward current, the
thyristor turns off. The circuit diagram and commutation
waveforms are shown in Fig. 11.

External commutation

If the supply is an alternating voltage, the thyristor can
conduct only during the positive half cycle. The thyristor
naturally switches off at the end of each positive half cycle.
The circuit and device waveforms for this method of
commutation are shown in Fig. 12. It is important to ensure
that the duration of a half cycle is greater than the thyristor
turn-off time.

Reverse recovery

In typical thyristors the reverse recovery time is of the order
of a few micro-seconds. This time increases with increase
of forward current and also increases as the forward current
decay rate, dI

T

/dt, decreases. Reverse recovery time is the

period during which reverse recovery current flows (t

1

to t

3

in Fig. 13) and it is the period between the point at which
forward current ceases and the earliest point at which the
reverse recovery current has dropped to 10% of its peak
value.

Fig. 10  Commutation using a series LC circuit

Fig. 11  Commutation using a parallel LC circuit

R

R

leakage

L

C

E

+

I

thyristor

R

L

C

E

I R

+

I

thyristor

493

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Reverse recovery current can cause high values of turn-on
current in full-wave rectifier circuits (where thyristors are
used as rectifying elements) and in certain inverter circuits.
It should also be remembered that, if thyristors are
connected in series, the reverse voltage distribution can be
seriously affected by mismatch of reverse recovery times.

Fig. 12  Thyristor commutation in an a.c. circuit

Fig. 13  Thyristor turn-off characteristics

Turn-off time

Turn-off time is the interval between the instant when
thyristor current reverses and the point at which the thyristor
can block reapplied forward voltage (t

1

to t

4

in Fig. 13). If

forward voltage is applied to a thyristor too soon after the
main current has ceased to flow, the thyristor will turn on.
The circuit commutated turn-off time increases with:

-junction temperature
-forward current amplitude
-rate of fall of forward current
-rate of rise of forward blocking voltage
-forward blocking voltage.

Thus the turn-off time is specified for defined operating
conditions. Circuit turn-off time is the turn-off time that the
circuit presents to the thyristor; it must, of course, be greater
than the thyristor turn-off time.

Triac commutation

Unlike the thyristor, the triac can conduct irrespective of the
polarity of the applied voltage. Thus the triac does not
experience a circuit-imposed turn-off time which allows
each anti-parallel thyristor to fully recover from its
conducting state as it is reverse biased. As the voltage
across the triac passes through zero and starts to increase,
then the alternate thyristor of the triac can fail to block the
applied voltage and immediately conduct in the opposite
direction. Triac-controlled circuits therefore require careful
design in order to ensure that the triac does not fail to
commutate (switch off) at the end of each half-cycle as
expected.

It is important to consider the commutation performance of
devices in circuits where either dI/dt or dV/dt can be large.
In resistive load applications (e.g. lamp loads) current
surges at turn-on or during temporary over-current
conditions may introduce abnormally high rates of change
of current which may cause the triac to fail to commutate.
In inductive circuits, such as motor control applications or
circuits where a dc load is controlled by a triac via a bridge
rectifier, it is usually necessary to protect the triac against
unwanted commutation due to dv

(com)

/dt.

The commutating dv

(com)

/dt limit for a triac is less than the

static dv/dt limit because at commutation the recently
conducting portion of the triac which is being switched off
has introduced stored charge to the triac. The amount of
stored charge depends upon the reverse recovery
characteristics of the triac. It is significantly affected by
junction temperature and the rate of fall of anode current
prior to commutation (dI

(com)

/dt). Following high rates of

change of current the capacity of the triac to withstand high
reapplied rates of change of voltage is reduced. Data sheet
specifications for triacs give characteristics showing the

R

i thyristor

I

T

I

R

V

D

V

R

dI

T

dt

dV

D

dt

t

0

t

1

t

2

t

3

t

4

494

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

maximum allowable rate of rise of commutating voltage
against device temperature and rate of fall of anode current
which will not cause a device to trigger.

Fig. 14  Inductive load commutation with a triac

Consider the situation when a triac is conducting in one
direction and the applied ac voltage changes polarity. For
the case of an inductive load the current in the triac does
not fall to its holding current level until some time later. This
is shown in Fig. 14. At the time that the triac current has
reached the holding current the mains voltage has risen to
some value and so the triac must immediately block that
voltage. The rate of rise of blocking voltage following
commutation (dv

(com)

/dt) can be quite high.

The usual method is to place a dv/dt-limiting R-C snubber
in parallel with the triac. Additionally, because commutating
dv/dt turn-on is dependent upon the rate of fall of triac
current, then in circuits with large rates of change of anode
current, the ability of a triac to withstand high rates of rise
of reapplied voltage is improved by limiting the di/dt using
a series inductor. This topic is discussed more fully in the
section entitled ’Using thyristors and triacs’.

Conclusions

This article has presented the basic parameters and
characteristics of triacs and thyristors and shown how the
structure of the devices determines their operation.
Important turn-on and turn-off conditions and limitations of
the devices have been presented in order to demonstrate
the capabilities of the devices and show the designer those
areas which require careful consideration. The device
characteristics

which

determine

gate

triggering

requirements of thyristors and triacs have been presented.

Subsequent articles in this chapter will deal with the use,
operation and limitations of thyristors and triacs in practical
applications, and will present some detailed design and
operational considerations for thyristors and triacs in phase
control and integral cycle control applications.

V

DWM

-dI/dt

dV

com

/dt

Time

Time

Time

Supply

voltage

Load

current

Voltage

across

triac

Trigger
pulses

Current

495

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

6.1.2  Using Thyristors and Triacs

This chapter is concerned with the uses, operation and
protection of thyristors and triacs. Two types of circuit cover
the vast majority of applications for thyristors and triacs:
static switching circuits and phase control circuits. The
characteristics and uses of these two types of circuit will be
discussed. Various gate drive circuits and protection
circuits for thyristor and triacs are also presented. The use
of these circuits will enable designers to operate the devices
reliably and within their specified limits.

Thyristor and triac control techniques

There are two main techniques of controlling thyristors and
triacs - on-off triggering (or static switching) and phase
control. In on-off triggering, the power switch is allowed to
conduct for a certain number of half-cycles and then it is
kept off for a number of half-cycles. Thus, by varying the
ratio of "on-time" to "off-time", the average power supplied
to the load can be controlled. The switching device either
completely activates or deactivates the load circuit. In
phase control circuits, the thyristor or triac is triggered into
conduction at some point after the start of each half-cycle.
Control is achieved on a cycle-by-cycle basis by variation
of the point in the cycle at which the thyristor is triggered.

Static switching applications

Thyristors and triacs are the ideal power switching devices
for many high power circuits such as heaters, enabling the
load to be controlled by a low power signal, in place of a
relay or other electro-mechanical switch.

In a high power circuit where the power switch may connect
or disconnect the load at any point of the mains cycle then
large amounts of RFI (radio frequency interference) are
likely to occur at the instants of switching. The large
variations in load may also cause disruptions to the supply
voltage. The RFI and voltage variation produced by high
power switching in a.c. mains circuits is unacceptable in
many environments and is controlled by statutory limits.
The limits depend upon the type of environment (industrial
or domestic) and the rating of the load being switched.

RFI occurs at any time when there is a step change in
current caused by the closing of a switch (mechanical or
semiconductor). The energy levels of this interference can
be quite high in circuits such as heating elements. However,
if the switch is closed at the moment the supply voltage
passes through zero there is no step rise in current and
thus no radio frequency interference. Similarly, at turn-off,
a large amount of high frequency interference can be
caused by di/dt imposed voltage transients in inductive
circuits.

Circuit-generated RFI can be almost completely eliminated
by ensuring that the turn-on switching instants correspond
to the zero-crossing points of the a.c. mains supply. This
technique is known as synchronous (or zero voltage)
switching control as opposed to the technique of allowing
the switching points to occur at any time during the a.c.
cycle, which is referred to as asynchronous control.

In a.c. circuits using thyristors and triacs the devices
naturally switch off when the current falls below the device
holding current. Thus turn-off RFI does not occur.

Asynchronous control

In asynchronous control the thyristor or triac may be
triggered at a point in the mains voltage other than the zero
voltage crossover point. Asynchronous control circuits are
usually relatively cheap but liable to produce RFI.

Synchronous control

In synchronous control systems the switching instants are
synchronised with zero crossings of the supply voltage.
They also have the advantage that, as the thyristors
conduct over complete half cycles, the power factor is very
good. This method of power control is mostly used to control
temperature. The repetition period, T, is adjusted to suit the
controlled process (within statutory limits). Temperature
ripple is eliminated when the repetition period is made much
smaller than the thermal time constant of the system.

Figure 1 shows the principle of time-proportional control.
RFI and turn-on di/dt are reduced, and the best power factor
(sinusoidal load

current)

is

obtained by

triggering

synchronously. The average power delivered to a resistive
load, R

L

, is proportional to t

on

/T (i.e. linear control) and is

given by equation 1.

where: T is the controller repetition period

t

on

is controller ’on’ time

V

(RMS)

is the rms a.c. input voltage.

Elsewhere in this handbook the operation of a controller i.c.
(the TDA1023) is described. This device is specifically
designed to implement time-proportional control of heaters
using Philips triacs.

P

out

=

V

(

RMS

)

2

R

L

.

t

on

T

(

1

)

497

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 1  Synchronous time-proportional control

Phase control

Phase control circuits are used for low power applications
such as lamp control or universal motor speed control,
where RFI emissions can be filtered relatively easily. The
power delivered to the load is controlled by the timing of
the thyristor (or triac) turn-on point.

The two most common phase controller configurations are
’half wave control’, where the controlling device is a single
thyristor and ’full wave control’, where the controlling device
is a triac or a pair of anti-parallel thyristors. These two
control strategies are considered in more detail below:

Resistive loads

The operation of a phase controller with a resistive load is
the simplest situation to analyse. Waveforms for a full wave
controlled resistive load are shown in Fig. 2. The triac is
triggered at angle

δ

, and applies the supply voltage to the

load. The triac then conducts for the remainder of the
positive half-cycle, turning off when the anode current drops
below the holding current, as the voltage becomes zero at

θ

=180˚. The triac is then re-triggered at angle (180+

δ

)˚, and

conducts for the remainder of the negative half-cycle,
turning off when its anode voltage becomes zero at 360˚.

The sequence is repeated giving current pulses of
alternating polarity which are fed to the load. The duration
of each pulse is the conduction angle

α

, that is (180-

δ

)˚.

The output power is therefore controlled by variation of the
trigger angle

δ

.

For all values of

α

other than

α

=180˚ the load current is

non-sinusoidal. Thus, because of the generation of
harmonics, the power factor presented to the a.c. supply
will be less than unity except when

δ

=0.

For a sinusoidal current the rectified mean current, I

T(AV)

,

and the rms current, I

T(RMS)

, are related to the peak current,

I

T(MAX)

, by equation 2.

Fig. 2  Phase controller - resistive load

where

From equation 2 the ’crest factor’,

c, (also known as the

’peak factor’) of the current waveform is defined as:

The current ’form factor,’

a, is defined by:

Thus, for sinusoidal currents:

For the non-sinusoidal waveforms which occur in a phase
controlled circuit, the device currents are modified due to
the delay which occurs before the power device is triggered.
The crest factor of equation 4 and the form factor of equation
5 can be used to describe variation of the current
waveshape from the sinusoidal case.

tON

T

Input

voltage

Trigger

signal

Output

current

Trigger

Conduction

angle,

Voltage

Current

Supply

voltage

Triac

Triac

Device

triggers

Trigger

angle,

O = wt

O = wt

O = wt

I

T

(

AV

)

=

2.I

T

(

MAX

)

π

=

0.637 I

T

(

MAX

)

I

T

(

RMS

)

=

I

T

(

MAX

)

√

2

=

0.707 I

T

(

MAX

)

(

2

)

I

T

(

MAX

)

=

V

T

(

MAX

)

R

L

=

√

V

(

RMS

)

R

L

(

3

)

 Crest factor,

c

=

I

T

(

MAX

)

I

T

(

RMS

)

(

4

)

 Form factor,

a

=

I

T

(

RMS

)

I

T

(

AV

)

(

5

)

a

=

I

T

(

RMS

)

I

T

(

AV

)

=

1.111;

c

=

I

T

(

MAX

)

I

T

(

RMS

)

=

1.414

(

6

)

498

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Half wave controller

Figure 3a) shows the simplest type of thyristor half-wave
phase controller for a resistive load. The load current
waveform is given in Fig. 3b). The variation of average load
current, I

T(AV)

, rms load current, I

T(RMS)

and load power over

the full period of the a.c mains, with trigger angle are given
in equation 7.

N.B. When using equation 7 all values of

α

must be in

radians. For each case the maximum value occurs when

α

=180˚ (

α

=

π

 radians).

At

α

=180˚ the crest factor and form factor for a half wave

controller are given by:

Full wave controller

Figure 4 shows the circuit and load current waveforms for
a full-wave controller using two antiparallel thyristors, or a
triac, as the controlling device. The variation of rectified
mean current, I

T(AV)

, rms current, I

T(RMS)

, and load power with

trigger angle are given by equation 9.

N.B. When using equation 9 all value of

α

must be in

radians. For each case the maximum value occurs when

α

=180˚ (

α

=

π

 radians).

Fig. 3  Half wave control

Fig. 4  Full wave control

The variation of normalised average current, I

T(AV)

/I

T(AV)max

,

rms current I

T(RMS)

/I

T(RMS)max

, and power, P

(out)

/P

(out)max

, for

equations 7 and 9 are plotted in Fig. 5.

Figure 6 shows the variation of current form factor with
conduction angle for the half wave controller and the full
wave controller of Figs. 3 and 4.

Fig. 5  Current and power control using conduction

angle

a)

b)

Trigger

Voltage

Current

Supply
voltage

Thyristor

Thyristor

I

T(MAX)

 

I

T

(

AV

)

=

I

T

(

AV

)

max

.

(

1

cos

α)

2

I

T

(

RMS

)

=

I

T

(

RMS

)

max

.

α −

1

2

sin 2

α

π

1

2

P

(

out

)

=

P

(

out

)

max

.

α −

1

2

sin 2

α

π

I

T

(

AV

)

max

=

I

T

(

MAX

)

π

I

T

(

RMS

)

max

=

I

T

(

MAX

)

2

P

(

out

)

max

=

I

T

(

MAX

)

2

R

L

4

(

7

)

a)

b)

Trigger

Voltage

Current

Supply
voltage

Triac

Triac

I

T(MAX)

I

T(MAX)

a

=

I

T

(

RMS

)

I

T

(

AV

)

=

1.571;

c

=

I

T

(

MAX

)

I

T

(

RMS

)

=

2.0

(

8

)

I

T(AV)

I

T(AV)max

I

T(RMS)

I

T(RMS)max

P

(OUT)

P

(OUT)max

Amplitude

Conduction angle

0

30

60

90

120

150

180

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

                           

                            

                             

I

T

(

AV

)

=

I

T

(

AV

)

max

.

(

1

cos

α)

2

I

T

(

RMS

)

=

I

T

(

RMS

)

max

.

α −

1

2

sin 2

α

π

1

2

P

(

out

)

=

P

(

out

)

max

.

α −

1

2

sin 2

α

π

I

T

(

AV

)

max

=

2I

T

(

MAX

)

π

I

T

(

RMS

)

max

=

I

T

(

MAX

)

√

2

P

(

out

)

max

=

I

T

(

MAX

)

2

R

L

2

(

9

)

499

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 6  Variation of form factor with conduction angle

Inductive loads

The circuit waveforms for a phase controller with an
inductive load or an active load (for example, a motor) are
more complex than those for a purely resistive load. The
circuit waveforms depend on the load power factor (which
may be variable) as well as the triggering angle.

For a bidirectional controller (i.e triac or pair of anti-parallel
thyristors), maximum output, that is, sinusoidal load current,
occurs when the trigger angle equals the phase angle.
When the trigger angle,

δ

, is greater than the load phase

angle,

ϕ

, then the load current will become discontinuous

and the triac (or thyristor) will block some portion of the input
voltage until it is retriggered.

If the trigger angle is less than the phase angle then the
load current in one direction will not have fallen back to zero
at the time that the device is retriggered in the opposite
direction. This is shown in Fig. 7. The triac fails to be
triggered as the gate pulse has finished and so the triac
then acts as a rectifier. In Fig. 7 the triac is only triggered
by the gate pulses when the applied supply voltage is
positive (1+ quadrant). However, the gate pulses which
occur one half period later have no effect because the triac
is still conducting in the opposite direction. Thus
unidirectional current flows in the main circuit, eventually
saturating the load inductance.

This problem can be avoided by using a trigger pulse train
as shown in Fig. 8. The triac triggers on the first gate pulse
after the load current has reached the latching current I

L

in

the 3+ quadrant. The trigger pulse train must cease before
the mains voltage passes through zero otherwise the triac
will continue to conduct in the reverse direction.

Fig. 7  Triac triggering signals - single pulse

Fig. 8  Triac triggering signals - pulse train

Gate circuits for thyristors and triacs

As discussed in the introductory article of this chapter, a
thyristor or triac can be triggered into conduction when a
voltage of the appropriate polarity is applied across the main
terminals and a suitable current is applied to the gate. This
can be achieved using a delay network of the type shown
in Fig. 9a). Greater triggering stability and noise immunity
can be achieved if a diac is used (see Fig. 9b). This gives
a trigger circuit which is suitable for both thyristors and
triacs.

Figure 10 shows several alternative gate drive circuits
suitable for typical triac and thyristor applications. In each
circuit the gate-cathode resistor protects the device from
false triggering due to noise - this is especially important
for sensitive gate devices. In addition opto-isolated thyristor
and triac drivers are available which are compatible with
the Philips range of devices.

Form
factor

I

T(RMS)

I

T(AV)

Conduction angle

0

30

60

90

120

150

180

0

1

2

3

4

5

6

Half-wave rectifier

Full-wave rectifier

Trigger

Device fails

to trigger

Conduction

angle

Voltage

Current

Supply

voltage

Triac

Triac

Inductor

iron core
saturation

Device

triggers

Trigger

Conduction

angle

Voltage

Current

Supply
voltage

Triac

Triac

Device

triggers

Device

triggers

Fails to

trigger

500

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 10  Alternative triac triggering circuits

1k0

220R

BT145

Load

1k0

BT145

Load

180R

10k

12V

BC337

1k0

Load

10k

12V

1k0

Load

10k

12V

BC337

4k7

100nF

BT145

BT145

BAW62

2:1

a)

b)

Fig. 9  Basic triac triggering circuits

In some applications it may be necessary to cascade a
sensitive gate device with a larger power device to give a
sensitive gate circuit with a high power handling capability.
A typical solution which involves triggering the smaller
device (BT169) from a logic-level controller to turn on the
larger device (BT151) is shown in Fig. 11.

Figure 12 shows an isolated triac triggering circuit suitable
for zero voltage switching applications. This type of circuit
is also known as a solid state relay (SSR). The function of

the Q1/R2/R3 stage is that the BC547 is on at all instants
in time when the applied voltage waveform is high and thus
holds the BT169 off. If the BT169 is off then no gate signal
is applied to the triac and the load is switched off.

Fig. 11  Master-slave thyristor triggering circuit

Fig. 12  Opto-isolated triac triggering circuit

R

E

IR

+

R

E

IR

+

BT151

BT169

R

IR

+

-

R1

R3

R2

R4

BC547

BT169

100R

1K0

BT138

100R

100nF

Q1

501

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

If the input signal is switched high then the photo-transistor
turns on. If this occurs when the mains voltage is high then
Q1 remains on. When the line voltage passes through its
next zero crossing in either direction the photo transistor
ensures that Q1 stays off long enough for the BT169 to
trigger. This then turns the triac on. Once the thyristor turns
on, the drive circuit is deprived of its power due to the lower
voltage drop of the BT169. The triac is retriggered every
half cycle.

Voltage transient protection

There are three major sources of transient which may affect
thyristor and triac circuits:

-the mains supply (e.g. lightning)
-other mains and load switches (opening and closing)
-the rectifying and load circuit (commutation)

In order to ensure reliable circuit operation these transients
must be suppressed by additional components, removed
at source or allowed for in component ratings.

Three types of circuit are commonly employed to suppress
voltage transients - a snubber network across the device,
a choke between the power device and external circuit or
an overvoltage protection such as a varistor.

Series line chokes

A series choke may be used to limit peak fault currents to
assist in the fuse protection of thyristors and triacs. If the
choke is used in conjunction with fuse protection, it must
retain its inductance to very large values of current, and so
for this reason it is usually an air-cored component.
Alternatively, if the choke is only required to reduce the dv/dt
across non-conducting devices then the inductance needs
only to be maintained up to quite low currents. Ferrite-cored
chokes may be adequate provided that the windings are
capable of carrying the full-load current. Usually only a few
microhenries of inductance are required to limit the circuit
di/dt to an acceptable level. This protects the devices from
turning on too quickly and avoids potential device
degradation.

For instance, a 220V a.c. supply with 20

µ

H source

inductance gives a maximum di/dt of (220

2)/20=16A/

µ

s.

Chokes used to soften commutation should preferably be
saturable so as to maintain regulation and avoid
deterioration of the power factor. As their impedance
reduces at high current, they have very little effect on the
inrush current.

The addition of di/dt limiting chokes is especially important
in triac circuits where the load is controlled via a bridge
rectifier. At the voltage zero-crossing points the conduction
transfers between diodes in the bridge network, and the
rate of fall of triac current is limited only by the stray
inductance in the a.c. circuit. The large value of
commutating di/dt may cause the triac to retrigger due to

commutating dv

(com)

/dt. A small choke in the a.c circuit will

limit the di

(com)

/dt to an acceptable level. An alternative

topology which avoids triac commutation problems is to
control the load on the d.c. side.

Snubber networks

Snubber networks ensure that the device is not exposed to
excessive rates of change of voltage during transient
conditions. This is particularly important when considering
the commutation behaviour of triacs, which has been
discussed elsewhere.

Fig. 13  Triac protection

The following equations can be used to calculate the values
of the snubber components required to keep the reapplied
dv/dt for a triac within the dv

(com)

/dt rating for that device.

The parameters which affect the choice of snubber
components are the value of load inductance, frequency of
the a.c. supply and rms load current. The value of the
snubber resistor needs to be large enough to damp the
circuit and avoid voltage overshoots. The snubber capacitor
should be rated for the full a.c. voltage of the system. The
snubber resistor needs to be rated at 0.5W.

For circuits where the load power factor, cos

ϕ

,

0.7 the

snubber values are given approximately by:

where: L is the load inductance

f is the supply frequency
I

T(RMS)

is the rms device current

dv

(com)

/dt is the device commutating dv/dt rating.

The presence of a snubber across the device can improve
the turn-on performance of the triac by using the snubber
capacitor discharge current in addition to the load current
to ensure that the triac latches at turn-on. The value of the
snubber resistor must be large enough to limit the peak
capacitor discharge current through the triac to within the
turn-on di/dt limit of the device.

Load

Snubber

Varistor

Choke

C

25L

fI

T

(

RMS

)

dV

(

com

)

/

dt

2

R

=

√

3L

C

(

9

)

502

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Varistor

The use of a metal oxide varistor (MOV), as shown in
Fig. 13, protects the device from transient overvoltages
which may occur due to mains disturbances.

Overcurrent protection

Like all other semiconductor devices, triacs have an infinite
life if they are used within their ratings. However, they
rapidly overheat when passing excessive current because
the thermal capacitance of their junction is small.
Overcurrent protective devices (circuit breakers, fuses)
must, therefore, be fast-acting.

Inrush condition

Motors, incandescent lamp or transformer loads give rise
to an inrush condition. Lamp and motor inrush currents are
avoided by starting the control at a large trigger angle.
Transformer inrush currents are avoided by adjusting the
initial trigger angle to a value roughly equal to the load phase
angle. No damage occurs when the amount of inrush
current is below the inrush current rating curve quoted in
the device data sheet (see the chapter ’Understanding
thyristor and triac data’).

Short-circuit condition

Fuses for protecting triacs should be fast acting, and the
amount of fuse I

2

t to clear the circuit must be less than the

I

2

t rating of the triac. Because the fuses open the circuit

rapidly, they have a current limiting action in the event of a
short-circuit. High voltage fuses exhibit low clearing I

2

t but

the fuse arc voltage may be dangerous unless triacs with
a sufficiently high voltage rating are used.

Conclusions

This paper has outlined the most common uses and
applications of thyristor and triac circuits. The type of circuit
used depends upon the degree of control required and the
nature of the load. Several types of gate circuit and device
protection circuit have been presented. The amount of
device protection required will depend upon the conditions
imposed on the device by the application circuit. The
protection circuits presented here will be suitable for the
majority of applications giving a cheap, efficient overall
design which uses the device to its full capability with
complete protection and confidence.

503

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

6.1.3  The Peak Current Handling Capability of Thyristors

The ability of a thyristor to withstand peak currents many
times the size of its average rating is well known. However,
there is little information about the factors affecting the peak
current capability. This section will investigate the effect of
pulse duration on the peak current capability of thyristors.

Data sheets for thyristors always quote a figure for the
maximum surge current that the device can survive. This
figure assumes a half sine pulse with a width of either 10 ms
or 8.3 ms, which are the conditions applicable for 50/60 Hz
mains operation. This limit is not absolute; narrow pulses
with much higher peaks can be handled without damage
but little information is available to enable the designer to
determine how high this current is. This section will discuss
some of the factors affecting a thyristor’s peak current
capability and review the existing prediction methods. It will
go on to present the results of an evaluation of the peak
current handling capabilities for pulses as narrow as 10 

µ

s

for the BT151, BT152 and BT145 thyristors. It will also
propose a method for estimating a thyristor’s peak current
capability for a half sine pulse with a duration between 10 

µ

s

and 10 ms from its quoted surge rating.

Energy Handling

In addition to the maximum surge current, data sheets often
quote a figure called "I

2

t for fusing". This number is used to

select appopriate fuses for device protection. I

2

t represents

the energy that can be passed by the device without
damage. In fact it is not the passage of the energy which
causes damage, but the heating of the crystal by the energy
absorbed by the device which causes damage.

If the period over which the energy is delivered is long, the
absorbed energy has time to spread to all areas of the
device capable of storing it - like the edges of the crystal,
the plastic encapsulation, the mounting tab and for very
long times the heatsink - therefore the temperature rise in
the crystal is moderated. If, however, the delivery period is
short - say a single half sine pulse of current with a duration
of <10 ms - the areas to which the energy can spread for
the actual duration of the pulse are limited. This means that
the crystal keeps all the energy giving a much bigger
temperature rise. For very short pulses (<0.1 ms) and large
crystal, the problem is even worse because not all of the
active area of a thyristor crystal is turned on simultaneously
- conduction tends to spread out from the gate area - so
the current pulse passes through only part of the crystal
resulting in a higher level of dissipation and an even more
restricted area for absorbing it.

Expected Results

I

2

t is normally quoted at 10 ms, assuming that the surge is

a half sine pulse, and is derived from the surge current from:

This calculates the RMS current by dividing

by

Under the simplest of analyses I

2

t would be assumed to be

constant so a device’s peak current capability could be
calculated from:

where I

pk

is the peak of a half sine current pulse with a

duration of t

p

. However, experience and experiments have

shown that such an approach is inaccurate. To overcome
this, other ’rules’ have been derived.

One of these ’rules’ suggests that it is not I

2

t which is

constant but I

3

t or I

4

t. Another suggestion is that the

’constancy’ continuously changes from I

2

t to I

4

t as the

pulses become shorter. All these rules are expressed in the
general equation:

where is N is either constant or a function of the pulse width,
for example:

The graph shown in Fig. 1 shows what several of these
’rules’ predict would happen to the peak current capability
if they were true. Unfortunately little or no real information
currently exists to indicate the validity of these rules. Tests
have been performed on three groups of devices - BT151,
BT152 and BT145 - to gather the data which would,
hopefully, decide which was correct.

Test Circuit

The technique chosen to measure the peak current
capability of the devices was the stepped surge method. In
this test, the device is subjected to a series of current pulses
of increasing magnitude until it receives a surge which
causes measurable degradation.

I

2

t

=

I

TSM

√

2

2

0.01

√

2

I

TSM

I

pk

=

I

TSM

0.01

t

p

1

2

I

pk

=

I

TSM

0.01

t

p

1

N

N

=

log

1

t

p

505

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 1  Predicted I

TSM

 multiplying factors

Circuit Description

The circuits used to perform the required measurements
were of the form shown in Fig. 2. They produce half sine
pulses of current from the resonant discharge of C via L.
Triggering of the device under test (DUT) itself is used to
initiate the discharge. The gate signal used for all the tests
was a 100 mA / 1 

µ

s pulse fed from a pulse generator in

single-shot mode.

The magnitude of the current pulse is adjusted by changing
the voltage to which C is initially charged by varying the
output of the PSU. The pulse is monitored by viewing the
voltage across R3 on an digital storage oscilloscope. R1
and D protect the power supply. R1 limits the current from
the supply when DUT fails and during the recharging of C.
D attempts to prevent any high voltage spikes being fed
back into the PSU.

Fig. 2 Surge current test circuit

Pushbutton S1 and resistor R2 are a safety feature. R2
keeps C discharged until S1 is pressed. The trigger pulse
needs a button on the pulse generator to be pressed which
means both hands are occupied and kept away from the
test circuit high voltages.

Choice of L & C

The width of the half sine pulse from an LC circuit is:

and the theoretical peak value of the current is:

These equations assume that the circuit has no series
resistance to damp the resonant action which would result
in a longer but lower pulse. Minimising these effects was
considered to be important so care was taken during the
building of the circuits to keep the resistance to a minimum.
To this end capacitors with low ESR were chosen, the
inductors were wound using heavy gauge wire and the loop
C / L / DUT / R3 was kept as short as possible.

It was decided to test the devices at three different pulse
widths - 10 

µ

s, 100 

µ

s and 1 ms - so three sets of L and C

were needed. The values were selected with the help of a
’spreadsheet’ program running on an PC compatible
computer. The values which were finally chosen are shown
in Table 1. Also given in Table 1 are the theoretical peak
currents that the L / C combination would produce for a
initial voltage on C of 600 V.

Test Procedure

As mentioned earlier, the test method called for each device
to be subjected to a series of current pulses of increasing
amplitude. The resolution with which the current capability
is assessed is defined by the size of each increase in
current. It was decided that steps of approximately 5%
would give reasonable resolution.

Experimentation indicated that the clearest indication of
device damage was obtained by looking for changes in the
off-state breakdown voltage. So after each current pulse
the DUT was removed from the test circuit and checked on
a curve tracer. This procedure did slow the testing but it
was felt that it would result in greater accuracy.

Pulse Width

C (

µ

F)

L (

µ

H)

Ipeak (A)

 10 

µ

s

13.6

0.75

2564

100 

µ

s

100

10

1885

  1 ms

660

154

1244

Table 1. Inductor and Capacitor Values

It was also decided that, since this work was attempting to
determine the current that a device could survive - not which
killed it, the figure actually quoted in the results for a device’s
current capability would be the value of the pulse prior to
the one which caused damage.

15 

14 

13 

12 

11 

10 

10us

100us

1ms

10ms

Width of Half Sine Pulse

I t = const.

I t = const.

I t = const.

I       t = const.

log(1/t)

2

3

4

Peak Current Multiplying Factor

t

pulse

= π

√

L C

I

peak

=

V

√

C

L

DC PSU

0-600V

D

R1

L

C

R2

DUT

R3

S1

Vak

Trigger

Ia

Pulse

506

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 3  Peak current capability measurements

Test Results

Figure 3 is a graph showing the measured current
capabilities of all of the tested devices. Table 2 summarises
the measurements by giving the mean of the results for the
three device types at each of the pulse widths. Table 3
expresses the mean values as factors of the device I

TSM

rating. This table also gives the factors that the various
’rules’ would have predicted for the various pulse widths.

Mean Peak Current Capability (Amps)

Pulse Width

BT151

BT152

BT145

 10 

µ

s

912

1092

1333

100 

µ

s

595

1021

1328

  1 ms

264

 490

 697

Table 2. Measured Current Capability

Measured

Predicted Factor

Factor

(by I

n

t rule)

Pulse

BT

BT

BT

n=2 n=3 n=4

n=

Width

151 152 145

log(1/t)

 10 

µ

s

9.1

5.5

4.4 31.6 10.0 5.6

4.0

100 

µ

s

6.0

5.1

4.4 10.0 4.6

3.2

3.2

  1 ms

2.6

2.4

2.3

3.2

2.2

1.8

2.2

Table 3. Measured and Predicted I

TSM

 Multiplication

Factors

Interpretation of Results

It had been hoped that the measurements would give clear
indication of which of the ’rules’ would give the most
accurate

prediction

of

performance.

However,

an

inspection of Table 3 clearly shows that there is no

correlation between any of the predicted factors and the
measured factors. In fact the variation in the factors
between the various device types would indicated that no
rule based on an I

n

t function alone can give an accurate

prediction. This implies that something else will have to be
taken into account.

Further study of Fig. 3 reveals that the difference in the peak
current capability of the three device types is becoming less
as the pulses become shorter. This could be explained by
a reduction in the active area of the larger crystals, making
them appear to be smaller than they actually are. This is
consistent with the known fact that not all areas of a thyristor
turn on simultaneously  -  the conduction region tends to
spread out from the gate. If the pulse duration is less than
the time it takes for all areas of the device to turn on, then
the current flows through only part of the crystal, reducing
the effective size of the device. If the rate at which the
conduction area turns on is constant then the time taken
for a small device to be completely ON is shorter than for
a large device. This would explain why the performance
increase of the BT145 starts falling off before that of the
BT151.

Proposed Prediction Method

The above interpretation leads one to believe that the
original energy handling rule, which says that I

2

t is a

constant, may still be correct but that the performance it
predicts will ’roll off’ if the pulse duration is less than some
critical value. The equation which was developed to have
the necessary characteristics is:

which simplifies to:-

where t

crit

is proportional to - but not necessarily equal to -

the time taken to turn on all the active area of the crystal
and is calculated from:-

where: A  =  crystal area

R  =  constant expressing the rate at which the area
is turned on.

Preferably, A should be the area of the cathode but this
information is not always available. As an alternative the
total crystal area can be used if the value of R is adjusted
accordingly. This will inevitably introduce an error because
cathode and crystal areas are not directly proportional, but
it should be relatively small.

#

#

#

#

#

#

#

#

#

#

#

#

#

#

#

#

#

#

@

@

@

@

@

@

@

@

@

@

@

@

@

@

@

***

*******

*

**

****

10us

100us

1ms

10ms

100

1000

Width of half-sine pulse

Peak Current (amps)

# BT151

@ BT152

* BT145

I

pk

=

I

TSM

0.01

t

p

1

2

t

p

t

p

+

t

crit

1

2

I

pk

=

I

TSM

√

0.01

t

p

+

t

crit

t

crit

=

A
R

507

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

R was determined empirically to be approximately 0.02 m

2

/s

Using this value of R gives the values of t

crit

shown in Table

3. Using these values in the above equation predicts that
the peak current handling capability of the BT151, BT152
and BT145 would be as shown in Fig. 4.

Device

t

crit

BT151

148 

µ

s

BT152

410 

µ

s

BT145

563 

µ

s

Table 3. Calculated Values of t

crit

Conclusions

The first conclusion that can be drawn from this work is that
a thyristor, with average rating of only 7.5A, is capable of
conducting, without damage, a peak current greater than
100 times this value in a short pulse. Furthermore the power
required to trigger the device into conducting this current
can be <1 

µ

W. This capability has always been known and

indeed the surge rating given in the data sheet gives a value
for it at pulse widths of around 10 ms. What has been
missing is a reliable method of predicting what the peak
current capability of a device is for much shorter pulses.

The results obtained using the test methods indicate that
the previously suggested ’rules’ fail to take into account the
effect that crystal size has on the increase in performance.

In this section, an equation has been proposed which takes
crystal size into account by using it to calculate a factor
called t

crit

. This time is then used to ’roll off’ the performance

increase predicted by the original energy handling
equation  -  I

2

t = constant. This results in what is believed

to be a more accurate means of estimating the capability
of a device for a half sine pulse with a duration between
10 

µ

s and 10 ms.

Fig. 4 Predicted peak current handling using ’Rolled-off

I

2

t’ rule

Width of half-sine pulse

Peak Current (amps)

BT151

BT152

BT145

10us

100us

1ms

10ms

100

1000

508

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

6.1.4  Understanding Thyristor and Triac Data

The importance of reliable and comprehensive data for
power

semiconductor

devices,

together

with

the

advantages of the absolute maximum rating system, is
clear. This present article describes the data sheet
descriptions of Philips thyristors and triacs, and aims to
enable the circuit designer to use our published data to the
full and to be confident that it truly describes the
performance of the devices.

A brief survey of short-form catalogues is an insufficient
method of comparing different devices. Published ratings
and characteristics require supporting information to truly
describe the capabilities of devices; thus comparisons
between devices whose performance appears to be similar
should not be made on economic grounds alone.
Manufacturers have been known to quote ratings in such
a way as to give a false impression of the capabilities of
their devices.

Ratings and characteristics given in published data should
always be quoted with the conditions to which they apply,
and these conditions should be those likely to occur in
operation. Furthermore, it is important to define the rating
or characteristic being quoted. Only if data is both complete
and unambiguous can a true comparison be made between
the capabilities of different types.

Thyristors

Thyristor is a generic term for a semiconductor device which
has four semiconductor layers and operates as a switch,
having stable on and off states. A thyristor can have two,
three, or four terminals but common usage has confined
the term thyristor to three terminal devices. Two-terminal
devices are known as switching diodes, and four-terminal
devices are known as silicon controlled switches. The
common, or three-terminal, thyristor is also known as the
reverse blocking triode thyristor or the silicon controlled
rectifier (SCR). Fig. 1 shows the circuit symbol and a
schematic diagram of the thyristor. All Philips thyristors are
p-gate types; that is, the anode is connected to the metal
tab.

The thyristor will conduct a load current in one direction
only, as will a rectifier diode. However, the thyristor will only
conduct this load current when it has been ’triggered’; this
is the essential property of the thyristor.

Fig. 2 shows the static characteristic of the thyristor. When
a small negative voltage is applied to the device, only a
small reverse leakage current flows. As the reverse voltage
is increased, the leakage current increases until avalanche
breakdown occurs. If a positive voltage is applied, then
again a small forward leakage current flows which
increases as the forward voltage increases. When the

forward voltage reaches the breakover voltage V

(BO)

,

turn-on is initiated by avalanche breakdown and the voltage
across the thyristor falls to the on state voltage V

T

.

However,

turn-on

can

occur

when

the

forward

(anode-to-cathode) voltage is less than V

(BO)

if the thyristor

is triggered by injecting a pulse of current into the gate. If
the device is to remain in the on state, this trigger pulse
must remain until the current through the thyristor exceeds
the latching current I

L

. Once the on state is established, the

holding current I

H

is the minimum current that can flow

through the thyristor and still maintain conduction. The load
current must be reduced to below I

H

to turn the thyristor off;

for instance, by reducing the voltage across the thyristor
and load to zero.

Fig. 1  Thyristor circuit symbol and basic structure

Fig. 2  Thyristor static characteristic

Thyristors are normally turned on by triggering with a gate
signal but they can also be turned on by exceeding either
the forward breakover voltage or the permitted rate of rise

Anode

Anode

Gate

Gate

Cathode

Cathode

p

n

p

n

On-state
characteristic

Off-state
characteristic

Avalanche
breakdown
region

Reverse
characteristic

Reverse
current

Forward
current

Reverse
voltage

Forward
voltage

IL
IH

V(BO)

509

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

of anode voltage dV

D

/dt. However, these alternative

methods of switching to the conducting state should be
avoided by suitable circuit design.

Triacs

The triac, or bidirectional triode thyristor, is a device that
can be used to pass or block current in either direction. It
is therefore an a.c. power control device. It is equivalent to
two thyristors in anti-parallel with a common gate electrode.
However, it only requires one heatsink compared to the two
heatsinks

required

for

the

anti-parallel

thyristor

configuration. Thus the triac saves both cost and space in
a.c. applications.

Figure 3 shows the triac circuit symbol and a simplified
cross-section of the device. The triac has two main
terminals MT1 and MT2 (the load connections) and a single
gate. The main terminals are connected to both p and n
regions since current can be conducted in both directions.
The gate is similarly connected, since a triac can be
triggered by both negative and positive pulses.

Fig. 3  Triac circuit symbol and basic structure

Fig. 4  Triac static characteristic

The on state voltage/current characteristic of a triac
resembles that of a thyristor. The triac static characteristic
of Fig. 4 shows that the triac is a bidirectional switch. The
condition when terminal 2 of the triac is positive with respect
to terminal 1 is denoted in data by the term ’T2+’. If the triac
is not triggered, the small leakage current increases as the
voltage increases until the breakover voltage V

(BO)

is

reached and the triac then turns on. As with the thyristor,
however, the triac can be triggered below V

(BO)

by a gate

pulse, provided that the current through the device exceeds
the latching current I

L

before the trigger pulse is removed.

The triac, like the thyristor, has holding current values below
which conduction cannot be maintained.

When terminal 2 is negative with respect to terminal 1 (T2-)
the blocking and conducting characteristics are similar to
those in the T2+ condition, but the polarities are reversed.
The triac can be triggered in both directions by either
negative (G-) or positive (G+) pulses on the gate, as shown
in Table 1. The actual values of gate trigger current, holding
current and latching current may be slightly different in the
different operating quadrants of the triac due to the internal
structure of the device.

Quadrant Polarity of T2 wrt T1

Gate polarity

1  (1+)

T2+

G+

2  (1-)

T2+

G-

3  (3-)

T2-

G-

4  (3+)

T2-

G+

Table 1. Operating quadrants for triacs

Device data

Anode to cathode voltage ratings

The voltage of the a.c. mains is usually regarded as a
smooth sinewave. In practice, however, there is a variety
of transients, some occurring regularly and others only
occasionally (Fig. 5). Although some transients may be
removed by filters, thyristors must still handle anode to
cathode voltages in excess of the nominal mains value.

The following reverse off-state voltage ratings are given in
our published data:

V

RSM

the non-repetitive peak reverse voltage. This is the

allowable peak value of non-repetitive voltage transients,
and is quoted with the maximum duration of transient that
can be handled (usually t < 10ms).

V

RRM

the repetitive peak reverse voltage. This is the

allowable peak value of transients occurring every cycle.

V

RWM

the peak working reverse voltage. This is the

maximum continuous peak voltage rating in the reverse
direction, neglecting transients. It corresponds to the peak
negative value (often with a safety factor) of the sinusoidal
supply voltage.

MT1

MT2

Gate

Gate

MT1

MT2

n

n

n

n

p

p

Reverse
current

Forward
current

Reverse
voltage

Forward
voltage

IH
IL

V(BO)

Blocking

Blocking

IL
IH

V(BO)

T2+

T2-

510

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 5  Diagrammatic voltage waveform showing device

anode voltage ratings

The forward off-state voltages corresponding to V

RSM

, V

RRM

and V

RWM

are listed below.

V

DSM

the non-repetitive peak off-state voltage applied in

the forward direction.

V

DRM

the repetitive peak off-state voltage applied in the

forward direction.

V

DWM

the peak working off-state voltage applied in the

forward direction.

Both the repetitive and non-repetitive voltage ratings are
determined partly by the voltage limit that prevents the
thyristor being driven into forward or reverse breakdown,
and partly by the instantaneous energy (resulting from an
increase in leakage current) that can be dissipated in the
device without exceeding the rated junction temperature.

When a thyristor is to operate directly from the mains supply,
it is advisable to choose a device whose repetitive peak
voltage ratings V

RRM

and V

DRM

are at least 1.5 times the peak

value of the sinusoidal supply voltage. This figure forms
part of the device type number; for example BT151-650R,
where 650 corresponds to V

DRM

, V

RRM

=650V and the final

R (for Reverse) indicates that the anode of the device is
connected to the metal tab.

Anode-to-cathode current ratings

The following current ratings, described by the waveforms
shown in Fig. 6, are given in our published data. Note that
the suffix

T

implies that the thyristor is in the on state.

I

T(AV)

the average value of the idealised mains current

waveform taken over one cycle, assuming conduction over
180˚. For devices mounted on heatsinks, the I

T(AV)

rating

should

be

quoted

for

a

particular

mounting-base

temperature T

mb

; our devices are generally characterised

at a mounting-base temperature of at least 85˚C. A device
can have an artificially high current rating if the

mounting-base temperature is unrealistically low; ratings
with no associated mounting-base temperature should be
regarded with suspicion.

I

T(RMS)

the rms on-state current. This rating gives the

maximum rms current that the thyristor can handle. It is
important for applications when the device current
waveform is described by a high value form factor. For such
conditions the rms current rather than the average current
may be the limiting rating.

I

TRM

the repetitive peak forward current. This rating is the

peak current that can be drawn each cycle providing that
the average and rms current ratings are not exceeded.

I

TSM

the non-repetitive (surge) peak forward current. This

rating is the peak permitted value of non-repetitive
transients, and depends on the duration of the surge. Our
published data quotes the I

TSM

rating for t=10ms, the

duration of a half-cycle of 50Hz mains. However, some
manufacturers quote I

TSM

for t=8.3ms (half-cycle of 60Hz

mains), and thus surge ratings for devices quoted at
t=8.3ms should be approximately downrated (multiplied by
0.83) before comparing them with t=10ms surge ratings.

The surge rating also depends on the conditions under
which it occurs. Our data sheets quote I

TSM

rating under the

worst probable conditions, that is, T

j

=T

j(max)

immediately

prior to the surge, followed by reapplied V

RWM(max)

immediately after the surge. An unrealistically high I

TSM

rating could be quoted if, for example, T

j

<T

j(max)

prior to the

surge and then the full rated voltage is not reapplied.

Published data also includes curves for I

TSM

against time

which show the maximum allowable rms current which can
occur during inrush or start-up conditions. The duration of
the inrush transient and the mounting base temperature
prior to operation determine the maximum allowable rms
inrush current.

Fig. 6  Diagrammatic current waveform showing device

anode current ratings

V

D

V

DSM

V

DRM

V

DWM

V

RWM

V

RRM

V

RSM

V

R

Time

Mains
waveform

I

T

I

TSM

I

TRM

I

T(RMS)

I

T(AV)

Time

511

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

dI/dt: the rate of rise of on-state current permissible after
triggering. An excessive rate of rise of current causes local
heating and thus damage to the device. The rate of rise of
current is determined by both the supply and load
impedances, and can be limited by additional series
inductance in the circuit.

Fig. 7  Non-repetitive surge current as a function of time

I

2

t: a dimensional convenience specifying the capability of

a thyristor to absorb energy. This rating is required for the
selection of fuses to protect the thyristor against excessive
currents caused by fault conditions. It is normally only valid
over the range 3 to 10ms. In our published data, a value is
quoted for 10ms, in which case:

The user should match the minimum I

2

t capability of the

thyristor to the worst case I

2

t let-through of a range of

nominally rated fuses in order to select a fuse that will
protect the device under worst probable conditions.

Values of I

2

t other than those quoted for 10ms can be

estimated by referring to the appropriate published curves
of non-repetitive surge current against time. For example,
Fig. 7 is the non repetitive surge current curve for a thyristor
whose I

2

t at 10ms is 800A

2

s. From Fig. 7, I

TS(RMS)

at 3ms is

470A and therefore I

2

t at 3ms is given by:

To summarise, when selecting an appropriate fuse the
following conditions must be taken into account.

1. The fuse must have an rms current rating equal to, or

less than, that of the thyristor it is to protect.

2. The I

2

t at the rms working voltage must be less than

that of the thyristor taken over the fuse operating time.

3. The arc voltage of the fuse must be less than the V

RSM

rating of the thyristor.

Gate-to-cathode ratings

The following gate-to-cathode ratings are given in the
published data.

V

RGM

the gate peak reverse voltage.

P

G(AV)

the mean gate power, averaged over a 20ms period.

P

GM

the peak gate power dissipation.

The gate-to-cathode power ratings should not be exceeded
if over-heating of the gate-cathode junction is to be avoided.

Temperature ratings

Two temperature ratings are given in the published data.

T

stg

the storage temperature. Both maximum and minimum

values of the temperature at which a device can be stored
are given.

T

j

the junction temperature. This is one of the principal

semiconductor ratings since it limits the maximum power
that a device can handle. The junction temperature rating
quoted in our published data is the highest value of junction
temperature at which the device may be continuously
operated to ensure a long life.

Thermal characteristics

The following thermal resistances and impedances are
given in our data.

R

th(j-a)

the thermal resistance between the junction of the

device and ambient (assumed to be the surrounding air).

R

th(j-mb)

the thermal resistance between the junction and

mounting base of the device.

R

th(mb-h)

the thermal resistance between the mounting base

of the device and the heatsink (contact thermal resistance).

Z

th(j-mb)

the transient thermal impedance between the

junction and mounting-base of the device. The value given
in the published data is for non-repetitive conditions and a
particular pulse duration. Under pulse conditions, thermal
impedances rather than thermal resistances should be
considered. Higher peak power dissipation is permitted
under pulse conditions since the materials in a thyristor
have a definite thermal capacity, and thus the critical
junction temperature will not be reached instantaneously,
even when excessive power is being dissipated in the
device. The published data also contains graphs of Z

th(j-mb)

against time (for non-repetitive conditions) such as those
shown in Fig. 8.

0.001

0.003

0.01

0.03

0.1

0.3

1

3

10

0

100

200

300

400

500

600

Duration (s)

ITS(RMS)

I

2

t

= ⌠

i

2

.

dt

(

1

)

=

I

TSM

√

2

2

×

10.10

3

(

A

2

s

)

I

2

t

(

3ms

) =

I

TS

(

RMS

)

2

×

t

=

470

2

×

3

.

10

3

=

662.7A

2

s

512

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 8  Thermal impedance between the junction and

mounting-base as a function of time

The values of the various thermal resistances between the
thyristor junction and the surroundings must be considered
to ensure that the junction temperature rating is not
exceeded. The heat generated in a semiconductor chip
flows by various paths to the surroundings. Fig. 9 shows
the various thermal resistances to be taken into account in
this process. With no heatsink, the thermal resistance from
the mounting-base to the surroundings is given by R

th(mb-a)

.

When a heatsink is used, the heat loss direct to the
surroundings from the mounting-base is negligible owing
to the relatively high value of R

th(mb-a)

and thus:

Fig. 9  Heat flow paths

R

th(mb-a)

 = R

th(mb-h)

 + R

th(h-a)

(2)

Where appropriate, our published data contains power
graphs such as that in Fig. 10. These characteristics relate
the total power P dissipated in the thyristor, the average
forward current I

T(AV)

, the ambient temperature T

a

, and the

thermal resistance R

th(mb-a)

, with the form factor,

a, as a

parameter. They enable the designer to work out the
required mounting arrangement from the conditions under
which the thyristor is to be operated.

1E-05

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

0.001

0.003

0.01

0.03

0.1

0.3

1

3

10

Time (s)

Z th(j-mb) (K/W)

T

j

T

mb

T

h

Ta

R

th(j-mb)

R’

th(mb-a)

R

th(mb-h)

R

th(h-a)

Fig. 10  Derivation of the appropriate R

th(mb-a) 

for a given value of I

T(AV)

a and T

amb

0

5

10

15

20

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0

20

40

60

80

100

120

125

120

115

110

105

100

95

90

85

80

75

a=4

a=2.8

2.2 1.9

1.6

R

th(mb-a)

=0.5K/W

1K/W

2K/W

3

4

6

10

P(W)

Tmb (

o C)

I

T(AV)

(A)

T

a (

o C)

513

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Usually, the characteristics are designed for use in 50Hz
sinusoidal applications, when the procedure below should
be followed.

1. Determine the values of I

T(AV)

and I

T(RMS)

for the relevant

application.

2. Determine the form factor, which is given by:

3. Starting from the appropriate value of I

T(AV)

on a curve

such as Fig. 10, move vertically upwards to intersect
the appropriate form factor curve (interpolating if
necessary).

4. This intersection gives the power dissipated in the

thyristor on the left-hand axis of the combined graph
and the mounting base temperature on the right hand
axis.

5. Moving horizontally across from this intersection to the

appropriate value of ambient temperature gives the
required mounting base to ambient thermal resistance
R

th(mb-a)

.

6. The required heatsink thermal resistance R

th(h-a)

can

now be calculated from Equation 2 since the mounting
base to heatsink thermal resistance R

th(mb-h)

is given in

the published data.

Example

The thyristor to which Fig. 10 applies is operated at an
average forward current I

T(AV)

of 12A and an rms forward

current I

T(RMS)

of 19.2A. The maximum anticipated ambient

temperature is 25˚C. Now, Equation 3 gives,

Figure

10

gives

the

power

as

P=20W

and

the

mounting-base temperature as T

mb

=105˚C. Also, at this

power and ambient temperature of 25˚C, Fig. 10 gives the
value of R

th(mb-a)

to be 4˚C/W. The published data gives the

value of R

th(mb-h)

(using a heatsink compound) to be 0.2˚C/W

and then Equation 2 gives

Mounting torque

Two values of mounting torque are given in the published
data. A minimum value is quoted below which the contact
thermal resistance rises owing to poor contact, and a
maximum value is given above which the contact thermal
resistance again rises owing to deformation of the tab or
cracking of the crystal.

Fig. 11  Forward current vs. forward voltage

The surface of a device case and heatsink cannot be
perfectly flat, and thus contact will take place on several
points only, with a small air-gap over the rest of the contact
area. The use of a soft substance to fill this gap will lower
the contact thermal resistance. We recommend the use of
proprietary heatsinking compounds which consist of a
silicone grease loaded with an electrically insulating and
good thermal conducting powder such as alumina.

Anode-to-cathode characteristics

The

following

anode-to-cathode

characteristics

are

included in the published data.

I

R

the reverse current. This parameter is given for the worst

probable

conditions;

that

is,

the

reverse

voltage

V

R

=V

RWM(max)

and a high T

j

.

I

D

the off-state current. This parameter is again given for

the worst probable conditions; that is, the forward voltage
V

D

=V

DWM(max)

and a high T

j

.

I

L

the latching current (Fig. 2). This parameter is quoted at

a particular value of junction temperature.

I

H

the holding current (Fig. 2). This parameter is quoted at

a particular value of junction temperature.

V

T

the forward voltage when the thyristor is conducting.

This parameter is measured at particular values of forward
current and junction temperature. The junction temperature
is usually low (T

j

=25˚C, for example) since this is the worst

case. The measurement must be performed under pulse
conditions to maintain the low junction temperature. The
published data also contains curves of forward current
against forward voltage, usually for two values of the
junction temperature: 25˚C and T

j(max)

(Fig. 11).

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0

1.0

2.0

3.0

IF(A)

VF(V)

MAX

TYP

25 C

150 C

a

=

I

T

(

RMS

)

I

T

(

AV

)

(

3

)

a

=

19.2

12

=

1.6

R

th

(

h

a

)

=

4

0.2

=

3.8

°

C

/

W

514

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 12  Definition of rate of rise of off-state voltage

dV

D

/dt

dV/dt: the rate of rise of off-state voltage that will not trigger
any device. This parameter is given at maximum values of
junction

temperature

T

j(max)

and

forward

voltage

V

D

=V

DRM(max)

.

The values of dV

D

/dt quoted in our published data are

normally specified assuming an exponential waveform.
This facilitates the design of RC snubber circuits for device
protection when required. Fig. 12 illustrates the definition
of dV

D

/dt. The final voltage applied to the device V

DM

is

chosen as V

DRM(max)

and the junction temperature is T

j

=T

j(max)

.

Fig. 12 shows that dV

D

/dt is given by the expression:

where T is the exponential time constant.

The dV

D

/dt capability of a thyristor increases as the junction

temperature decreases. Thus curves such as those shown
in Fig. 13a) are provided in the published data so that
designers can uprate devices operated at lower junction
temperatures.

The dV

D

/dt characteristic can also be increased by

operating the device at a low supply voltage. Thus the
published data also contains curves such as Fig. 13b)
which shows how dV

D

/dt increases as the ratio V

DM

/V

DRM

max decreases. Note that V

DM

is unlikely to be greater than

2

/

3

V

DRM(max)

(usually owing to the restriction of V

DWM(max)

) and

therefore the fact that dV

D

/dt approaches zero as V

DM

increases above the value of

2

/

3

V

DRM(max)

does not cause

problems.

dVD

dt

V

DM

0.63V

DM

T

2T

3T

4T

Time

dV

D

dt

=

0.63V

DM

T

=

0.63

×

2

/

3V

DRM

(

max

)

T

=

0.42V

DRM

(

max

)

T

(

V

s

)

a) Junction temperature, T

j

                            b) Applied voltage, V

D

Fig. 13  Derating of maximum rate of rise of off-state voltage

0

20

40

60

80

100

0

200

400

600

800

1,000

1,200

1,400

Exp l

dVD

dt

Exp l

dVD

dt

Rating
point

Rating
point

T

j

( o C)

VD /VDRM(max) (%)

20

40

60

80

100

120

140

0

250

500

750

1,000

1,250

1,500

1,750

2,000

515

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

a) Minimum V

GT

 that will trigger all devices

b) Minimum I

GT

 that will trigger all devices

Fig. 14  Gate characteristics vs. junction temperature

-50

0

50

100

150

Tj ( C)

VGT (V)

0

50

100

150

0

50

100

150

-50

IGT (mA)

Tj ( C)

Tj ( C)

Gate-to-cathode characteristics

The following gate-to-cathode characteristics are given in
the published data.

V

GT

the gate-to-cathode voltage that will trigger all devices.

This characteristic should be quoted for particular values
of applied voltage V

D

and low junction temperature.

I

GT

the gate-to-cathode current that will trigger all devices.

This characteristic should be quoted for the same
conditions given above.

A gate drive circuit must be designed which is capable of
supplying at least the required minimum voltage and current
without exceeding the maximum power rating of the gate
junction. Curves such as those shown in Fig. 14 (which
relate the minimum values of V

GT

and I

GT

for safe triggering

to the junction temperature) are provided in data. The
following design procedure is recommended to construct a
gate drive circuit load-line on the power curves shown in
Fig. 15.

1. Determine

the

maximum

average

gate

power

dissipation P

G(AV)

from the published data (normally

0.5W, 1.0W, or 2.0W) and then use the appropriate
choice of x-axis scaling in Fig. 15.

2. Estimate the minimum ambient temperature at which

the device will operate, and then determine the
minimum values of V

GT

and I

GT

from curves such as

Figs. 14a) and 14b) in the published data. Note that it
is assumed that at switch-on T

j

=T

a

.

3. Determine the minimum open-circuit voltage of the

trigger pulse drive circuit: this is the first co-ordinate on
the load line at I

G

=0.

4. Using the appropriate horizontal scaling for the device

(P

G(AV)

=0.5W, 1.0W or 2.0W), plot a second point on the

power curve whose co-ordinates are given by V

GT(min)

and 5

×

I

GT(min)

. Construct a load line between these two

points. The slope of this load gives the maximum
allowable source resistance for the drive circuit.

5. Check the power dissipation by ensuring that the load

line must not intersect the curve for the maximum peak
gate power P

GM(max)

which is the outermost (

δ

=0.1) curve

of Fig. 15. The load line must also not intersect the curve
which represents the maximum average gate power
P

G(AV)

modified by the pulse mark-space ratio, where:

For instance, in Fig. 15, for a thyristor with P

G(AV)

=1W,

the

δ

=0.25 curve can be used for a gate drive with a 1:3

mark-space ratio giving an allowable maximum gate
power dissipation of P

GM(max)

=4W.

An illustration of how the above design procedure operates
to give an acceptable gate drive circuit is presented in the
following example.

Example

A thyristor has the V

GT

/T

j

and I

GT

/T

j

characteristics shown

in Fig. 14 and is rated with P

G(AV)

=0.5W and P

GM(max)

=5W. A

suitable

trigger

circuit

operating

with

δ

max

=0.25,

V

GT(min)

=4.5V, I

GT(max)

=620mA and T

a(min)

=-10˚C is to be

designed. Determine its suitability for this device.

P

GM

(

max

)

=

P

AV

δ

(

5

)

516

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 15  Gate circuit design procedure - power curves

0

2.5

5.0

7.5

10.0

12.5

15.0

17.5

20.0

22.5

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

2.4

2.8

3.2

3.6

4.0

= 0.100
= 0.111
= 0.125
= 0.143
= 0.167
= 0.200
= 0.250
= 0.333
= 0.500
= 1.000

Gate current, I

G

(A)

Gate voltage, V

G

(V)

(P

G(AV) =0.5W)

(P

G(AV)=1.0W)

(P

G(AV)

=2.0W)

A

B

C

1. Select the top x-axis scale of Fig. 15 (P

G(AV)

=0.5W).

2. From Fig. 14, V

GT(min)

=1.75V, and IGT(min)=66mA.

3. At minimum supply voltage, the open-circuit gate

voltage is 4.5V, giving point ’A’ in Fig. 15. Point B is
plotted at the co-ordinates V

GT(min)

and 5xI

GT(min)

, that is

at 1.75V and 330mA, and load line ABC is constructed
as shown. Note that point C is the maximum current
required at I

G

=570mA and is within the capability of the

drive circuit.

4. As required the load line does not intersect the P

G(max)

(

δ

=0.1). The gate drive duty cycle,

δ

, is 0.25. Therefore

P

GM(max)

= P

G(AV)

/

δ

= 0.5/0.25 = 2W. As required, the load

line ABC does not intersect the

δ

=0.25 curve.

Switching characteristics

Two important switching characteristics are usually
included in our published data. They are the gate-controlled
turn-on time t

gt

(divided into a turn-on delay time, t

d

, and a

rise time, t

r

) and the circuit-commutated turn-off time, t

q

.

Gate-controlled turn-on time, t

gt

Anode current does not commence flowing in the thyristor
at the instant that the gate current is applied. There is a
period which elapses between the application of the trigger

pulse and the onset of the anode current which is known
as the delay time t

d

(Fig. 16). The time taken for the anode

voltage to fall from 90% to 10% of its initial value is known
as the rise time t

r

. The sum of the delay time and the rise

time is known as the gate-controlled turn-on time t

gt

.

The gate controlled turn-on time depends on the conditions
under which it is measured, and thus the following
conditions should be specified in the published data.

-Off-state voltage; usually V

D

=V

DWM(max)

.

-On-state current.
-Gate trigger current; high gate currents reduce t

gt

.

-Rate of rise of gate current; high values reduce t

gt

.

-Junction temperature; high temperatures reduce t

gt

.

Circuit-commutated turn-off time

When

a

thyristor

has

been

conducting

and

is

reverse-biased, it does not immediately go into the forward
blocking state: minority charge carriers have to be cleared
away by recombination and diffusion processes before the
device can block reapplied off-state voltage. The time from
the instant that the anode current passes through zero to
the instant that the thyristor is capable of blocking reapplied
off-state voltage is the circuit-commutated turn-off time t

q

(Fig. 17).

517

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 16  Thyristor gate-controlled turn-on characteristics

Fig. 17  Thyristor turn-off characteristics

The following conditions should be given when t

q

is quoted.

-On-state current; high currents increase t

q

.

-Reverse voltage; low voltages increase t

q

.

-Rate of fall of anode current; high rates increase t

q

.

-Rate of rise of reapplied off-state voltage; high rates
increase t

q

.

-Junction temperature; high temperatures increase t

q

.

-Gate bias; negative voltages decrease t

q

.

Triac ratings

The ratings and characteristics of the triac are similar to
those of the thyristor, except that the triac does not have
any reverse voltage ratings (a reverse voltage in one
quadrant is the forward voltage in the opposite quadrant).
However, one characteristic requires special attention
when choosing triacs; the rate of re-applied voltage that the
triac will withstand without uncontrolled turn-on.

If a triac is turned off by simply rapidly reversing the supply
voltage, the recovery current in the device would simply
switch it on in the opposite direction. To guarantee reduction
of the current below its holding value, the supply voltage
must be reduced to zero and held there for a sufficient time

to allow the recombination of any stored charge in the
device. To ensure turn-off, the rate of fall of current during
the commutation interval (turn-off period) and the rate of
rise of re-applied voltage after commutation must both be
restricted. An excessive rate of fall of current creates a large
number of residual charge carriers which are then available
to initiate turn-on when the voltage across the triac rises.

With supply frequencies up to around 400Hz and a
sinusoidal waveform, commutation does not present any
problems when the load is purely resistive, since the current
and voltage are in phase. As shown in Fig. 18 the rate of
fall of on-state current -dI/dt, given by Equation 6, and the
rate of rise of commutating voltage dV

com

/dt, given by

equation 7, are sufficiently low to allow the stored charge
in the device to fully recombine. The triac is thus easily able
to block the rising reapplied voltage dV

com

/dt.

(6)

 (7)

Fig. 18  Triac commutation waveforms (resistive load)

Fig. 19  Triac commutation waveforms (inductive load)

90%

10%

10%

V D

I GT

I

T

t

r

t

d

t

gt

dI

/

dt

=

2

π

f

.

√

I

T

(

RMS

)

t

q

I

T

I

R

V

D

V

R

dI

T

dt

dV

D

dt

dV

com

/

dt

=

2

π

f

.

√

V

(

RMS

)

VDWM

-dI/dt

dV

com

/dt

Time

Time

Time

Supply

voltage

Load

current

Voltage

across

triac

Trigger
pulses

Current

VT

V

DWM

-dI/dt

dV

com

/dt

Time

Time

Time

Supply

voltage

Load

current

Voltage

across

triac

Trigger
pulses

Current

518

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 20  Rate of rise of commutating voltage with rate of fall of on-state current and temperature

20

40

60

80

100

120

0

1

10

100

1000

dV/dt (V/us)

5.1

3.9

3.0

2.3

1.8

1.4

-dI/dt=

dVD/dt limit

Tj (C)

However, with an inductive load (Fig. 19) the current lags
behind the voltage and consequently commutation can
present special difficulties. When the on-state current has
fallen to zero after a triac has been conducting in one
direction the supply voltage in the opposite direction will
have already reached a significant value. The rate of fall of
triac current will still be given by Equation 6 but the rate of
rise of reapplied voltage, dV

com

/dt will be very large. The

triac may switch on immediately unless dV/dt is held less
than that quoted in the published data by suitable circuit
design. Alternatively, the circuit design can remain simple
if Hi-Com triacs are employed instead. Sections 6.3.1 and
6.3.2 explain the advantages of using Hi-Com triacs in such
inductive circuits.

The maximum rate of rise of commutating voltage which
will not cause the device to trigger spuriously is an essential
part of the triac published data. However, dV

com

/dt is

meaningless unless the conditions which are applicable are
provided, particularly the rate of fall of on-state current
-dI

T

/dt. Our published data also contains graphs such as

Fig. 20 which relate dV

com

/dt to junction temperature with

-dI

T

/dt as a parameter. The characteristic dV

com

/dt is

specified under the worst probable conditions, namely:

-mounting base temperature, T

mb

=T

mb(max)

-reapplied off-state voltage, V

D

=V

DWM(max)

-rms current, I

T(RMS)

= I

T(RMS)(max)

.

In order that designers may economise their circuits as far
as possible, we offer device selections with the same
current ratings but with different values of dV

com

/dt (at the

same value of -dI

T

/dt) for some of our triac families. The

dV/dt capability can be traded off against the gate sensitivity
(I

GT(max)

) of the device. Sensitive gate triacs (i.e. those which

require only a small amount of gate current to trigger the
device) have less ability to withstand high values of dV

com

/dt

before sufficient current flows within the device to initiate
turn-on. These different device selections are differentiated
by suffices which are added to the device type number eg.
BT137-600F.

Detailed design considerations for dV

com

/dt limiting in

inductive circuits when using triacs are considered in
separate articles in this handbook.

519

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Thyristor and Triac Applications

521

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

6.2.1  Triac Control of DC Inductive Loads

The problem of inductive loads

This publication investigates the commutation problem
encountered when triacs are used in phase control circuits
with inductive loads. Commutation failure is likely to occur
owing to circuit inductance imposing a sudden rise of
voltage

on

the

triac

after

conduction.

Control

of

transformers supplying an inductively loaded bridge
rectifier is particularly troublesome because of the added
effect of rapid current decay during commutation. For a
better understanding of the nature of the problem, the
commutation behaviour is summarised here.

Triacs are bipolar power control elements that may turn on
with either polarity of voltage applied between their main
terminals. Unlike thyristors there is no circuit-imposed
turn-off time. To ensure commutation the decay rate of
current before turn-off and the rate of rise of reapplied
voltage must both be held below specified limits. An
excessive current decay rate has a profound effect on the
maximum rate of rise of voltage that can be sustained, as
then a large amount of stored charge is available to initiate
the turn-on in the next half cycle.

Figure 1 shows the condition for a triac controlled
transformer followed by a rectifier with inductive load. The
load inductance forces the rectifier diodes into conduction
whenever the instantaneous dc output voltage drops to
zero. The transformer secondary is thus shorted for some
time after the zero transitions of the mains voltage and a
reverse voltage is applied to the triac, turning it off. Because
of transformer leakage inductance the triac does not turn
off immediately but continues to conduct over what is called
the commutation interval (see Fig. 1).

During the commutation interval a high rate of decay of
current (dI

com

/dt) results for two reasons. Firstly the rate of

fall of current is high because the leakage inductance of
most transformers is low. This is necessary to achieve a
small dc output voltage loss (represented by the shaded
areas in the voltage waveform of Fig. 1) in the transformer.
Secondly, with an inductive rectifier load a substantial
current flows when commutation starts to occur.

The large value of dI

com

/dt results in a high rate of rise of

voltage, dv/dt. Since the current decays rapidly the peak
reverse recovery current I

RRM

is fairly large. Upon turn-off,

I

RRM

is abruptly transferred to the snubber elements R and

C so the voltage abruptly rises to the level R.I

RRM

(C is initially

discharged). Owing to the high value of both dI

com

/dt and

dv/dt, loss of control follows unless measures are taken to
prevent it.

Fig. 1

  Triac control of transformer suppling rectifier with

an inductive load (

α

 = trigger angle)

Obtaining reliable commutation

A saturable choke in series with the transformer primary
proves effective in achieving reliable commutation (Fig. 2).
Saturation should occur at a fraction of the rated load
current so that the loss in the rectifier output voltage is
minimised. At low currents the total inductance is large, thus
softening the commutation and eliminating transients. The
choke delays the rise in voltage so a quiescent period of a
few tens of microseconds is introduced, during which time

523

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

the triac can recover. There is usually no difficulty in
designing a choke such that the decay rate of current
(dI

com

/dt) and the rate of rise of voltage (dv/dt) are sufficiently

reduced to ensure reliable control.

Fig. 2  Use of a saturable choke to ensure commutation

Circuit analysis

Over the commutation interval the transformer secondary
is shorted as the load inductance keeps the rectifier diodes
in conduction, so the simplified diagram of Fig. 3 applies.
If the load time constant is much larger than the mains
period then the load current can be assumed to be purely
dc. The waveforms of triac voltage and current are given in
Fig. 4. The mains voltage is given by

v

i

= Vsin

ω

t. As the

commutation interval is a fraction of the ac period then the
rate of change of voltage during the commutation interval
can be assumed to be linear, giving:

Over the period 0 to t

2

the voltage across the saturable

choke L

s

and leakage inductance L

leak

is equal to

v

i

(assuming the triac on-state voltage to be negligible).
Assuming for this analysis that L

s

remains in saturation

(dashed portion in

i

t

waveform) then if L

sat

is the saturated

inductance, the following expression can be derived:

where

di/dt is the rate of change of triac current.

Fig. 3  Equivalent circuit diagram

Fig. 4  Commutation voltage and current waveforms

(Dashed portion of 

I

t

 shows current waveform if 

L

s

remains saturated. Period t1 to t2 is shown expanded)

Integrating equation (2) gives:

where

I

t

is the current prior to commutation.

(

L

leak

+

L

sat

).

d i

/

dt

= −

ˆ

V

ω

t

(

2

)

i

t

=

I

t

ˆ

V

ω

t

2

2

(

L

leak

+

L

sat

)

(

3

)

v

i

= −

ˆ

V

ω

t

(

1

)

524

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

At time

t

1

, current

i

t

passes through zero, so, from (3):

At

t

1

the mains voltage has attained the value

V

1

which is

found by combining equations (1) and (4) to give:

Choke

L

s

comes out of saturation at low current levels so

the triac turn-off point is delayed to time

t

2

. Since in a

practical circuit the delay is only of the order of 50

µ

s, the

mains voltage

V

2

at the instant of turn-off is very nearly

equal to

V

1

. Thus from equation 5:

The triac conducts until time

t

2

. Denoting the value of

unsaturated inductance as

L

unsat

, the current decay rate at

zero current is given by:

The initial rate of rise of off-state voltage

, dv

com

/dt, can now

be derived. This parameter is decisive for the behaviour of
the triac, since a much greater

dv/dt can be sustained after

carrier recombination, that is, when the off-state voltage
has reached a substantial value.

At time

t

2

the triac turns off but the voltage across it is still

zero. The voltage drop across

L

s

and

L

leak

is equal to

V

2

and

the rate of rise of current carried by these inductances,
di

L

/dt, is given in equation (7). The rate of rise of triac voltage

dv/dt is determined by di

L

/dt and the values of the snubber

components R and C.

When the interval

t

1

to

t

2

is long enough, the triac has fully

recovered at time

t

2

, and so the current

i to be taken over

by the parallel RC snubber network is zero. At time

t

2

,

dv/dt

is equal to the initial rate of rise of voltage

dv

0

/dt. From

equations (7) and (8):

In circuits where no transformer is interposed between the
triac and rectifier, some series inductance is still needed to
restrict turn-on di/dt. In that case Equations (7) and (9) are
still valid by omitting

L

leak

.

Example - DC motor load

The motor control circuit of Fig. 5 illustrates the use of the
design method proposed in the previous section. Since the
motor has a fairly high inductance it may be considered as
a constant current source, giving a severe test condition for
triac commutation.

Fig. 5  DC Motor test circuit.

Choke

L

unsat

=2.25mH, 30 turns on 36x23x10mm

3

toriod core

Transformer 220V/150V,

6kVA,

0.9mH

leakage

inductance

Motor

Series

wound

DC

motor,

Leakage

inductance = 30mH

With

L

leak

= 0.9mH,

L

unsat

= 2.25mH and

L

sat

<<

L

leak

the circuit

conditions can be calculated for a triac current of

I

t

= 20A

and a 220V, 50Hz supply. Using equations (7) and (9) gives
di

c

/dt = -18.3A/ms and dv

0

/dt = 0.6V/

µ

s. These values can

be compared with the commutation limits of the device to
ensure that reliable commutation can be expected.

The inductance in the ac circuit also restricts turn-on di/dt
which, for a continuous dc load current is:

where

v

i

is the instantaneous ac input voltage,

t

on

is the

turn-on time of the triac and R is the snubber resistance.
Maximum turn-on di/dt occurs at the peak value of input
voltage,

v

i

. The initial rise of on-state current depends on

the snubber discharge current through R as well as the
limiting effect of the circuit inductance.

t

1

=

√

2I

t

(

L

leak

+

L

sat

)

ˆ

V

ω

(

4

)

V

1

= −

√

2

ω

ˆ

VI

t

(

L

leak

+

L

sat

)

(

5

)

V

2

≈ −

√

2

ω

ˆ

VI

t

(

L

leak

+

L

sat

)

(

6

)

d i

c

dt

=

V

2

(

L

leak

+

L

unsat

)

= −

√

2

ω

ˆ

VI

t

(

L

leak

+

L

sat

)

L

leak

+

L

unsat

(

7

)

dv

dt

=

R

.

d i

L

dt

+

i

C

(

8

)

d i

on

dt

v

i

t

on

R

+

v

i

L

leak

+

L

unsat

(

10

)

dv

0

dt

=

R

L

leak

+

L

unsat

√

2

ω

ˆ

VI

t

(

L

leak

+

L

sat

) (

9

)

525

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The oscillograms of Figs. 6 to 10 illustrate circuit
performance. With no choke added a large dv/dt was
observed (Figs. 6 and 7) and so consequently commutation
failed when motor current was increased to around 9A. As
seen from Figs. 8 to 10 the choke softens commutation so
that dependable control results even at 23A motor current.
At this current (Fig. 10) the quiescent interval is about 30

µ

s,

which is adequate time for the triac to recover.

Fig. 6  Triac voltage and current. No series choke.

7A motor current. Timebase: 2ms/div

Upper trace: Triac voltage, v

t

 (100V/div)

Lower trace: Triac current, i

t

 (5A/div)

Fig. 7  Triac voltage and current. No series choke.

7A motor current. N.B. Snap-off current

Timebase: 100

µ

s/div

Upper trace: Triac voltage, v

t

 (20V/div)

Lower trace: Triac current, i

t

 (1A/div)

Fig. 8  Triac voltage and current. Series choke added.

7A motor current. Timebase: 100

µ

s/div

Upper trace: Triac voltage, v

t

 (20V/div)

Lower trace: Triac current, i

t

 (1A/div)

Fig. 9  Triac voltage and current. Series choke added.

23A motor current. Timebase: 100

µ

s/div

Upper trace: Triac voltage, v

t

 (10V/div)

Lower trace: Triac current, i

t

 (5A/div)

Fig. 10  Triac voltage and current.Series choke added

23A motor current. N.B. slight reverse recovery current

Timebase: 50

µ

s/div

Upper trace: Triac voltage, v

t

 (10V/div)

Lower trace: Triac current, i

t

 (1A/div)

526

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

6.2.2  Domestic Power Control with Triacs and Thyristors

The increasing demand for more sophisticated domestic
products can, in part, be met by providing the user with
some form of electronic power control. This control can be
used, for example, to adjust the suction of a vacuum
cleaner, the brightness of room lighting or the speed of food
mixers and electric drills.

It might be assumed that the cost of the electronics would
be high, but this is not necessarily the case. With triacs and
thyristors it is possible to produce high performance mains
controllers which use only a few simple components. The
following notes give details of some typical control circuits
and highlight areas for special attention when adapting the
designs for specific applications.

Vacuum cleaner suction control

The competitive nature of the vacuum cleaner market has
led to the development of a wide variety of machine types
and accessories. In many cases, the speed of the motor
remains constant and, if suction control is attempted, it
consists merely of an adjustable vent in the air flow path.
Electronic suction control sounds somewhat expensive and
unnecessarily

complicated

for

such an

elementary

application. In fact, by using a BT138 triac, a simple but
nevertheless effective and reliable suction control circuit
(Fig. 1) can be constructed very economically, and is
suitable for all types of cleaner with a power consumption
of up to 900W.

The heart of the circuit is the BT138. This is a glass
passivated triac which can withstand high voltage
bidirectional transients and has a very high thermal cycling
performance. Furthermore its very low thermal impedance
minimizes heatsink requirements.

Fig. 1  Vacuum cleaner suction control circuit

Circuit Description

In Fig. 1 the BT138 is the power control element. Its action
is controlled by a diac which is switched on by a charge on
C

1

under the control of potentiometer R

2

. The resistance of

the diac is virtually infinite as long as the voltage across it

remains within the breakover voltage limits, -V

BO

to +V

BO

.

During each half cycle of the mains sinewave, C

1

charges

until the voltage across it exceeds the diac breakover
voltage. The diac then switches on and C

1

discharges itself

into the gate of the triac and switches it on. Diodes D

1

and

D

2

stabilise the supply voltage to the charging circuit so that

its operation is independent of mains voltage fluctuations.
If -V

BO

and +V

BO

are equal and opposite, the triac will be

triggered at the same time after the start of either a positive
or negative half cycle. The conduction angle, and therefore
the speed of the motor and the cleaner suction, is
determined by the adjustment of R

2

. Preset potentiometer

R

3

is used to set the minimum suction level. The width and

amplitude of the trigger pulses are kept constant by gate
resistor R

4

. The zinc oxide voltage dependent resistor (U)

minimises the possibility of damage to the triac due to very
high voltage transients that may be superimposed on the
mains supply voltage. Figure 2 shows the current and
voltage waveforms for the triac when the conduction angle
is 30˚.

a) Triac Voltage (100 V/div. 5ms/div.)

b) Triac Current (1 A/div. 5ms/div.)

Fig. 2  Vacuum cleaner - Triac waveforms

Circuit Performance

A laboratory model of the circuit has been tested to
determine the range of control that it has over the suction
power of a typical vacuum cleaner. For the test, the cleaner
was loaded with a water column. The result of the test is
shown graphically in Fig. 3. The measured range of water
column height (100 to 1100 mm) translates into a wide air
flow range - from little more than a whisper to full suction.

527

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 3  Suction power as a function of motor speed

As suction power is a function of the speed of the vacuum
cleaner motor, a second test was carried out to determine
the range of motor speed control under conditions of
minimum and maximum air flow (i.e. with the suction
blocked and unrestricted). This test also checked the motor
speed variation due to

±

10% variation of a nominal 220 V

AC mains supply. The initial test conditions were:
unrestricted flow; mains supply 198 V (220 V - 10%); R

2

at

maximum resistance, and R

3

set so that the motor just ran.

Table 1 shows the results of the test. N

min

is the speed at

which the motor just runs and N

max

is the speed of the motor

with R

2

set at minimum resistance.

mains

blocked air flow

unrestricted air flow

voltage

N

min

N

max

N

min

N

max

(V)

(rpm)

(rpm)

(rpm)

(rpm)

198

5300

17100

4300

15400

220

6250

19000

5000

17100

242

7400

20000

6000

18200

Table 1. Motor speed figures for circuit of Fig. 1

The table shows that the speed setting range is wide. The
ratio of N

max

to N

min

is 3.42:1, for 220 V mains and

unrestricted airflow. The variation of motor speed due to
variation of the mains input is quite small and represents a
negligible change of suction. If D

1

and D

2

are omitted from

the circuit, the speed setting ratio is reduced to 1.82:1 under
the same conditions. The table also shows that the
difference between the N

min

for minimum and maximum air

flow is quite small. This implies that speed stabilisation is
unnecessary.

Special Design Considerations

The circuit shown in Fig. 1 has been shown to work well in
a typical vacuum cleaner application. But motors and
environments do vary, so some aspects of the design
should be looked at carefully before it is finalised.

Circuit positioning

The siting of the circuit, within the case of the cleaner, is
particularly important. In some areas within the cleaner the
temperature can be quite high. The circuit, and in particular
the triac and its heatsink, should not be placed in one of
these areas if the designer is to avoid problems keeping
the temperature of the triac below T

jmax

.

Starting current

Another factor that may lead to thermal problems is that of
inrush current. The starting current of a vacuum cleaner
motor is typically as shown in Fig. 4. The rms current during
the first 20 ms could be 20 A or more. The current decays
to its steady state value in about 1 s. To ensure that the
triac does not overheat, reference should be made to the
inrush current curves in the triac data sheet, the curve for
the BT138 is reproduced in Fig. 5.

Fig. 4  Starting current (20 A/div, 50 ms/div.)

cycle

time

peak

rms

’limit’

number.

(ms)

current

current

current

(A)

(A)

(A)

1

20

49

22

24

2

40

41

18

21

3

60

35

13

19.5

4

80

32

14

18.5

5

100

29

13

18

10

200

20

9

15.5

20

400

14

6.3

14

Table 2. Currents during starting

The first step in checking for a problem is to estimate the
mounting base temperature, T

mb

, prior to starting. A

reasonable figure would be the worst case steady state
value of T

mb

during normal running.

528

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 5  Inrush current curve for BT138

Step 2 is to calculate the rms value of one cycle of the
starting current at several times during start up and step 3
is to compare these figures with the values taken from the
appropriate line of the inrush current curve.

As an example consider the performance of the BT138
driving a motor whose starting current is shown in Fig. 4.
Direct measurement indicated that during normal running
the T

mb

of a BT138 mounted on a particular heatsink, would

be no more than 22˚C above ambient. From other
measurements it

was

estimated that

the

ambient

temperature would not exceed 73˚C. These figures give a
worst case steady state T

mb

of 95˚C. It can be assumed that

this is the highest temperature that the mounting base could
be, prior to starting - a reasonable assumption which covers
the case where the motor has been running for a long time,
is turned off and then started again before there has been
any cooling.

The rms values of cycles 1 to 5, 10 and 20 of the starting
current are given in Table 2. Since the current is not an
ideal sine wave these have been calculated from the peak
current by assuming a crest factor (peak to rms) of 2.23.
Also shown are the relevant I

O(RMS)

figures from the 95˚C

line of Fig. 5. Since ’actual’ inrush current is always less
than the ’allowed’ current it is safe to use the BT138 under
the proposed conditions to control the motor. It should be
noted that because the crest factor is >

2 the dissipation

of the BT138 will be less than assumed by the inrush current
curves of Fig. 5.

Commutation

The circuit shown in Fig. 1 has no RC snubber. This was
because the values of dI/dt and dV/dt generated by the
circuit were well within the capability of the BT138. This will
often be the case with vacuum cleaner motors for two
reasons:

- these motors introduce only a small phase shift in the

current, so the voltage step is small and the dV/dt is low,

- the steady state value of the current is much less than

the maximum rating of the BT138, this amounts to a dI/dt
well within the capability of the BT138.

However care must be taken to ensure that this is true in
all applications. In particular, care should be taken to ensure
that the triac switches correctly even during starting. If a
snubber is found to be necessary then a 100 

0.5 W

resistor in series with a 0.1

µ

F capacitor will be more than

adequate in most circumstances.

Interference

It is, of course, necessary to check that the overall
equipment complies with local regulations for conducted
and radiated interference. However, the measures taken to
suppress the electrical ’noise’ of the motor combined with
the motor itself will often be more than sufficient to
overcome the interference generated by the switching of
the triac but this must be checked in all applications.

529

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Domestic lamp dimmer

The use of light dimmers, once the prerogative of
entertainment centres, has now become widespread in the
home. It is necessary to ensure that the component parts
of these units are simple and reliable so that they are
compatible with the domestic environment.

The

glass

passivated

BT138

triac

meets

these

requirements. Firstly, it has a peak non-repetitive on-state
current handling capability of up to 90 A which means it can
easily withstand the inrush current that occurs when a cold
lamp is switched on. It can also withstand high voltage
bidirectional transients and its low thermal impedance
minimizes heatsink requirements.

Fig. 6  Lamp dimmer circuit

Circuit Description

A simple circuit of a light dimmer using the BT138 is given
in Fig. 6. The BT138 is the power control element, triggered
via the diac. The setting of potentiometer R

2

determines the

phase difference between the mains sine wave and the
voltage across C

2

. This in turn sets the triac triggering angle

and the lamp intensity.

The resistance of the diac is very high as long as the voltage
across it remains within its breakover voltage limits, -V

BO

to

+V

BO

. Each half cycle of the mains charges C

2

via R

1

, R

2

and R

3

until the voltage being applied to the diac reaches

one of its breakover levels. The diac then conducts and C

2

discharges into the gate of the triac, switching it on. If -V

BO

and +V

BO

are equal and opposite, the triac will be triggered

at the same time after the start of either a positive or
negative half cycle. If C

1

were not included in the circuit,

the voltage across C

2

would change abruptly after triggering

and cause the phase relationship between the mains
voltage and voltage across C

2

to progressively alter. This

would cause an undesirable hysteresis effect. The voltage
across C

1

partially restores the voltage across C

2

after

triggering and thereby minimizes the hysteresis effect. The
width and amplitude of the trigger pulses are kept constant
by gate resistor R

4

. The VDR minimizes the possibility of

the triac being damaged by high voltage transients that may
be superimposed on the mains supply voltage.

Special Design Considerations

Circuit rating

The BT138 has an rms current rating of 12 A. It is, therefore,
capable of controlling loads with a rating of 2 kW or more.
However, the load of this circuit must be restricted to a much
lower level. There are two reasons for this. The first is to
keep mains distortion within the allowed limits, without the
necessity of expensive filter networks. The second reason
is to limit dissipation. If, as is likely, the circuit is to be
mounted in the wall in place of a conventional switch, then
air circulation is going to be very restricted and the ambient
temperature around the circuit will be quite high. It is
important for reliability reasons to ensure that the
temperature of the BT138 never exceeds T

jmax

, so the

dissipation of the triac must be kept to a low level.

Fig. 7  Interference on mains supply

Interference

Regulations

concerning

conducted

and

radiated

interference vary considerably form country to country but
it is likely that some form of filter will be needed. The simple
LC filter shown within the dashed-lined box in Fig. 6 is often
all that is needed. The values of the filter components will
vary, but a combination of 0.15 

µ

F capacitor and a low Q

inductor of 2.5 

µ

H was found to be sufficient for the circuit

to meet the C.I.S.P.R. limits. This is illustrated by the plots
shown in Fig. 7. Curves (a) and (b) show the level of noise
on the mains supply for the circuit, without filter, when

530

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

controlling 550 W and 25 W loads respectively. Curves (d)
and (e) are for the circuit with filter connected showing that
the C.I.S.P.R. limit, which is curve (c), has been met.

Filter inductor

Having selected the value of filter inductor, the designer
has then to decide how to make it. Construction will not be
too critical - it is not necessary to achieve a high Q - and
there will be considerable room for reducing its size.
However, care must be taken to ensure that the inductor
does not saturate when the inrush current of a cold lamp
flows through it. If the inductor does saturate then the filter
capacitor will, effectively, be shorted out by the triac. In this
case the triac current could rise faster than the dI/dt rating
allows. This could cause progressive damage to the triac
resulting in premature failure.

Speed control for food mixers and electric
drills

Food mixers and electric hand drills are products whose
useability is improved by the addition of electronic speed
control. But they are products where costs have to be tightly
controlled so the choice of circuit is very important. This
decision is made harder by the need to have a good speed
regulation under the widely varying loads that these
products are subjected to.

The circuits to be described provide continuous control of
motor speed over a wide speed range by adjusting the
conduction angle of a BT151 thyristor. They compensate
for load variation by adjusting the firing angle when there
is a change in the motor speed - as indicated by a change
in its back EMF.

Back EMF Feedback Circuits

A simple motor speed control circuit that employs back EMF
to compensate for changes in motor load and mains voltage
is shown in Fig. 8(a). The resistor chain R

1

, R

2

,R

3

and diode

D

1

provide a positive going reference potential to the

thyristor gate via diode D

2

. Diode D

1

is used to reduce the

dissipation in the resistor chain by some 50% and diode D

2

isolates the trigger circuit with the thyristor in the on-state.
When the thyristor is not conducting the motor produces a
back EMF voltage across the armature proportional to
residual flux and motor speed. This appears as a positive
potential at the thyristor cathode.

A thyristor fires when its gate potential is greater than
cathode potential by some fixed amount. Depending on the
waveform shape and amplitude at the gate, the circuit may
function in several modes.

a) Basic Controller

b) Improved Low Speed Controller

c) Improved Low and High Speed Controller

Fig. 8  Thyristor Speed Control Circuit Using Back EMF

Feedback

R1

5k6 6W

R2

1k0 1W

R3

150

D1

D2

BT151

R4

500

R1

5k6 6W

R2

2k0 1W

R3

150

D1

D2

BT151

R4

500

C1

25uF 25V

R1

5k6 6W

R2

2k0 1W

R3

150

D2

BT151

R4

500

D1

C1
50uF 40V

531

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 9  Waveforms with DC Gate Supply

If, for example, during positive half cycles a constant DC
potential was applied at the gate (see Fig. 9), the thyristor
would continue to fire at the beginning of each cycle until
the back EMF was large enough to prevent firing. Thyristor
firing would then continue intermittently at the beginning of
the positive cycles to maintain some average motor speed.

Referring to Fig. 8(a) the waveform appearing at the
thyristor gate will approximate to a half sine wave,
Fig. 10(a). As a result it is impossible for the firing angle to
be later than 90˚ - the most positive value of the trigger
potential. At lower motor speeds the firing angle might need
to be 130˚ for smooth operation. If the maximum firing angle
is limited to 90˚ then intermittent firing and roughness of
motor operation will result.

If, however, the waveform at the gate has a positive slope
value to an angle of at least 130˚ then it will be possible to
have a stable firing point at low speeds. Such a waveform
can be produced if there is some phase shift in the trigger
network.

Stable Firing at Small Conduction Angles

The trigger network of the circuit shown in Fig. 8(b) has
been modified by the addition of a capacitor C

1

and diode

D

1

. The diode clamps the capacitor potential at zero during

the negative going half cycles of the mains input. The
waveform developed across the capacitor has a positive
slope to some 140˚, allowing thyristor triggering to be
delayed to this point.

a) Basic Controller

b) Improved Low Speed Controller

c) Improved Low and High Speed Controller

Fig. 10  Gate Voltage Waveforms

v

Mains
Voltage

back
EMF

0

90

180

3

2

1

v

1

2

3

v

Mains
Voltage

0

90

180

3

2

1

v

1

2

3

v

Mains
Voltage

0

90

180

3

2

1

v

1

2

3

v

Mains
Voltage

0

90

180

532

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

As the slider of R

2

is moved towards R

1

, the peak of the

waveform at the gate will move towards 90˚ as shown in
Fig. 10(b). As the speed increases, the no load firing angle
will also advance by a similar amount so stability will be
maintained. This circuit will give smoother and more stable
performance than the circuit of Fig. 8(a). It will, however,
give a marginally greater speed drop for a given motor
loading at low speed settings. At the maximum speed
settings the circuit of Fig. 8(a) approximates to that of
Fig. 8(b).

Fig. 11  Simplified Firing Circuit

Improved Motor Performance With Stable
Firing

Both the circuits so far discussed have gate voltage
waveforms that are of near linear slope from the zero point
of each positive half cycle, see Figs. 10(a) and (b). This
means that the only time that the thyristor can be fired early
in the mains cycle, say at 20˚, is when the back EMF and
hence motor speed is very low. This effect tends to prevent
smooth running at high speeds and high loads.

Stable triggering, at low angles, can be achieved if the gate
voltage ramp starts each cycle at a small positive level. This
means that the time to reach the minimum trigger voltage
is reduced. The circuit of Fig. 8(c) is one way of achieving
this. In this circuit capacitor C

1

is charged during positive

half cycles via resistor R

1

and diode D

1

. During negative

half cycles the only discharge path for capacitor C

1

is via

resistors R

2

and R

3

.

Diode D

1

also prevents C

1

from being discharged as the

thyristor switches off by the inductively generated pulse
from the motor. As the value of resistor R

2

is increased,

capacitor C

1

is discharged less during negative half cycles

but

its

charging

waveform

remains

substantially

unchanged. Hence the result of varying R

2

is to shift the DC

level of the ramp waveform produced across C

1

.

Diode D

2

isolates the triggering circuit when the thyristor is

ON. Resistor R

4

adjusts minimum speed, and by effectively

bleeding a constant current, in conjunction with the gate
current from the triggering circuit, it enables resistor R

2

to

give consistent speed settings.

Fig. 12  Calculated Gate Waveforms

Circuit Design

If the speed controller is to be effective it must have stable
thyristor firing angles at all speeds and give the best
possible speed regulation with variations of motor load. The
circuit of Fig. 8(c) gives a motor performance that satisfies
both of the above requirements.

There are two factors that are important in the circuit
operation in order to obtain the above requirements.

- The value of positive slope of the waveform appearing at

the thyristor gate.

- The phase angle at which the positive peak gate voltage

is reached during a positive half cycle of mains input.

R1

R2

D2

D1

C1

v

i

i1

i2

0

50

100

150

200

250

0

5

10

15

20

25

30

35

Phase Angle

Gate Voltage

C1=32uF

C1=50uF

C1=64uF

R2=1500

R2=800

R2=200

533

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

As previously described the charging of capacitor C

1

by

resistor R

1

determines the rate of rise of voltage at the

thyristor gate during the positive half cycle. However,
resistor R

1

must also have a value such that several times

the maximum thyristor gate current passes through the RC
network to D

1

. This current will then give consistent speed

settings with the spread of thyristor gate currents when the
minimum speed is set by resistor R

4

.

The positive slope value of the thyristor gate voltage will
have to be fixed according to the motor used. A motor that
gives a smooth back EMF voltage will allow a low slope
value to be used, giving good torque speed characteristics.
Some motors have coarser back EMF waveforms, with
voltage undulations and spikes, and a steeper slope of
thyristor gate voltage must be used in order to obtain stable
motor operation. The value of capacitor C

1

is chosen to

provide the required positive slope of the thyristor gate
voltage.

b) measurement circuit

b) typical waveform.

Fig. 13  Back EMF Measurement Arrangement

Some calculations have been made on the circuit of
Fig. 8(c) simplified to the form of Fig. 11, where it is
assumed that current flowing to the thyristor gate is small
compared with the current flowing through resistor R

1

. An

expression has been derived for the voltage that would
appear at the anode of D

2

in terms of R

1

, R

2

and C

1

and is

given later. Component values have been substituted into
the expression to give the thyristor gate waveforms shown
in Fig. 12.

In order to adjust the circuit to suit a given motor, the back
EMF of the motor must be known. This may be measured
using the arrangement shown in Fig. 13. The voltage
appearing across the motor is measured during the period
when the series diode is not conducting (period A). The
voltage so obtained will be the motor back EMF at its top
speed on half wave operation, and corresponds to the back
EMF that would be obtained from the unloaded motor at its
highest speed when thyristor controlled. In practice, since
the mains input is a sine wave, there is little increase in the
’no load’ speed when the firing angle is reduced to less than
about 70˚.

The value of resistor R

2

in Fig. 8(c) determines the motor

’no load’ speed setting. The waveforms of Fig. 12 may be
used as a guide to obtaining the value of this resistor. It
must be chosen so that at 70˚ and at its highest value, the
gate voltage is higher than the measured back EMF by
about 2 V - the forward gate/cathode voltage of the thyristor.

The thyristor is turned ON when a trigger waveform, shown
in Fig. 12, exceeds the back EMF by the gate/cathode
voltage. So, if the back EMF varies within a cycle then there
will be a cycle to cycle variation in the firing angle. Normally,
random variations of the firing angle by 20˚ are tolerable.
If, for example, there were variations in the back EMF of
1 V, then with a firing angle of 70˚and a capacitor of 32 

µ

F,

the variation of firing angle would be about 12˚. With
capacitor values of 50 

µ

F and 64 

µ

F the firing angles

variations would be 19˚ and 25˚ respectively. Therefore, a
capacitor value of 50 

µ

F would be suitable.

Performance

The torque speed characteristics of the three circuits, when
used to drive an electric drill, are compared in Fig. 14. It
may be seen that the circuit of Fig. 8(b) has a poorer
performance than the two other circuits. That of Fig. 8(c)
may be seen to give a similar performance to the circuit of
Fig. 8(a) at low speeds but, at high speeds and torques, it
is better. It should be noted that the circuits of Figs. 8(b)
and (c) provide low speed operation free from the
intermittent firing and noise of the Fig. 8(a) circuit. Figure
15 compares the circuits of Fig. 8(a) and 8(c) when the load
is a food mixer motor.

to

oscilloscope

back

EMF

period

diode

conductiong

period

B

A

back EMF

534

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 14  Performance with Hand Drill Load

Fig. 15  Performance with Food Mixer Load

Circuit Calculations

The following analysis derives an expression for voltage ’v’
at the anode of D

2

. This expression can be used to produce

the gate voltage waveforms shown in Fig. 12. The analysis
assumes that the current drawn by the thyristor gate is
negligible in comparison with the current flowing in R

1

.

The charging current i

1

for capacitor C

1

in Fig. 11, is given

by:

and

Representing a mains half sine wave by

where

is the

peak mains voltage.

therfore,

where i, i

1

, i

2

are instantaneous currents.

Simplifying:-

Fourier analysis of a half sinewave gives:-

neglecting terms of the Fourier series with n > 2, then

then

simplifies to

where A, B, D, X, Y are constants.

Put

where a, b, c, d are constants.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0

500

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

Motor Torque (Nm)

Motor Speed (rpm)

Series

diode

Fig.8(a)

circuit

Fig.8(b)

circuit

Fig.8(c)

circuit

i

1

=

dq

dt

=

C

1

dv

dt

i

2

=

v

R

2

f

(

E

)

E

i

=

f

(

E

) −

v

R

1

=

i

1

+

i

2

f

(

E

) −

v

R

1

=

C

1

dv

dt

+

v

R

2

C

1

dv

dt

+

v

1

R

1

+

1

R

2

=

f

(

E

)

R

1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

12,000

Motor Torque (Nm)

Motor Speed (rpm)

series

diode

Fig.8(c)

circuit

Fig.8(a)

circuit

f

(

E

) =

E

1

π

+

1
2

sin

(θ) −

2

π

n

=

2

,

4

,

6...

n

=

0

cos

(

n

θ)

n

2

1

C

1

dv

dt

+

v

1

R

1

+

1

R

2

=

E

R

1

1

π

+

1
2

sin

t

) −

2

3

π

cos

(

2

ω

t

)

C

1

dv

dt

+

v

1

R

1

+

1

R

2

E

R

1

π

=

E

R

1

1
2

sin

t

) −

2

3

π

cos

(

2

ω

t

)

(

1

)

A

dv

dt

+

Bv

D

=

sin

t

) −

cos

(

2

ω

t

)

(

2

)

v

=

sin

t

) +

cos

t

)

+

sin

(

2

ω

t

) +

cos

(

2

ω

t

) +

D

B

(

3

)

535

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

substituting (3) and (4) in equation (2) and equating terms
in

, then

substituting for the constants in equation (2) gives:

This may be simplified since

So the voltage that the trigger circuit would apply to the gate
(assuming the gate draws no current) is given by:

Solving this equation for a different values of C

1

and

positions of R

2

gives the curves shown in Fig. 12.

Conclusions

The addition of electronic control can enhance the overall
useability

of

many

domestic

products.

Cost

and

performance

requirements

are major

factors

when

determining the type of control circuit to be used in these
applications. It is possible, using thyristors and triacs, to
construct a range of phase control circuits which can meet
many of these cost and operational requirements.

Although these circuits are not complex and use only simple
components, it is still important to design with care to ensure
that the best performance is achieved. This report has given
examples of some of these circuits and has highlighted the
areas of their design requiring particular care.

dv

dt

=

a

ω

cos

t

) −

b

ω

sin

t

)

+

2c

ω

cos

(

2

ω

t

) −

2d

ω

sin

(

2

ω

t

)

(

4

)

v

=

R

2

E

π(

R

1

+

R

2

)

+

R

2

E

2

ω

2

C

1

2

R

1

2

R

2

2

{(

R

1

+

R

2

)

sin

t

)

− ω

C

1

R

1

R

2

cos

t

)

2

3

π

ω

C

1

R

1

R

2

sin

(

2

ω

t

)

1

3

π

(

R

1

+

R

2

)

cos

(

2

ω

t

)}

cos

t

),

cos

(

2

ω

t

),

sin

t

),

sin

(

2

ω

t

)

v

=

BX

A

2

ω

2

+

B

2

.

sin

t

) −

A

ω

X

A

2

ω

2

+

B

2

.

cos

t

)

2A

ω

Y

4A

2

ω

2

+

B

2

.

sin

(

2

ω

t

)

BY

4A

2

ω

2

+

B

2

.

cos

(

2

ω

t

) +

D

B

v

=

R

2

E

.

(

R

1

+

R

2

)

sin

t

) − ω

C

1

R

1

R

2

cos

t

)

2

ω

2

C

1

2

R

1

2

R

2

2

+ (

R

1

+

R

2

)

2

+

R

2

E

.

1

π(

R

1

+

R

2

)

R

2

E

.

4

ω

C

1

R

1

R

2

sin

(

2

ω

t

) +

4

(

R

1

+

R

2

)

cos

(

2

ω

t

)

3

π[

4

ω

2

C

1

2

R

1

2

R

2

2

+ (

R

1

+

R

2

)

2

]

(

R

1

+

R

2

)

2

2

ω

2

C

2

R

1

2

R

2

2

536

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

6.2.3  Design of a Time Proportional Temperature Controller

Electronic temperature control is no longer new: phase and
on/off controls for heaters have been widely used to replace
mechanical switches. However, both phase control and
on/off control have disadvantages. Conventional phase
control allows fully-proportional control of the power
dissipated in the load, but the high rates of change of current
and voltage cause RFI and transients on the mains supply.
Because of this effect, phase control is not allowed to be
used for domestic heaters. Simple on/off control with
zero-voltage switching avoids generation of RFI but the
amount of hysteresis required to prevent temperature
oscillations does not give the required control accuracy.

The principle of time-proportional control

Time proportional control combines the zero-voltage
switching of on/off control with the accuracy of proportional
control and so eliminates the disadvantages of these two
alternative systems. Time-proportional control regulates
the load power such that there will be no overshoot or
undershoot of the desired temperature as is the case with
normal on/off systems. The TDA1023 has been designed
to provide time-proportional control for room heaters and
electric heating elements using a minimum number of
external components. It incorporates additional features to
provide fail-safe operation and fine control of the
temperature.

There

are

three

states

of

operation

when

using

time-proportional control:

• load switched fully off,

• load power proportional to the difference between actual

and desired temperatures,

• load switched fully on.

Figure 1 illustrates the principle; the load is switched on
once and off once in a fixed repetition period, the ratio of
the on and off periods providing the proportional control.
This method of control can cause mains flicker; the mains
voltage changes slightly each time the load is switched on
or off.

CENELEC, the European Committee for Electro-technical
Standardisation, has published rules which limit the rate at
which domestic heating apparatus may be switched on and
off. Table 1 gives the minimum repetition period for a range
of load powers and common mains voltages from
CENELEC publication EN50.006.

Fig. 1  Duty cycle control

Appliance

Repetition period, t

o

 (s)

Power (W)

220V

240V

380V

600

0.2

0.2

800

0.8

0.3

0.1

1000

2.0

1.0

0.2

1200

4.6

2.0

0.2

1400

7.0

4.3

0.2

1600

10.0

6.3

0.3

1800

16.0

8.9

0.5

2000

24.0

13.0

0.9

2200

32.0

17.0

1.3

2400

40.0

24.0

1.9

2600

31.0

2.6

2800

3.6

Table 1. CENELEC minimum repetition periods for

Domestic Heater Applications

Description of the TDA1023

The TDA1023 is a 16-pin dual in-line integrated circuit
designed to provide time-proportional power control of
electrical heating elements. The TDA1023 is ideally suited
for the control of:

• Panel heaters

• Cooker elements

• Electric irons

• Water heaters

• Industrial applications, e.g. temperature controlled oil

baths, air conditioners.

The TDA1023 Incorporates the following functions:

• A stabilised power supply. The TDA1023 may be

connected directly to the AC mains using either a
dropping resistor or capacitor. It provides a stabilised
reference voltage for the temperature-sensing network.

ON

OFF

Input

Output

t0

t ON

Temperature
reference

Ramp voltage

537

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 2  Triac trigger pulse width requirement

• A zero-crossing detector to synchronise the output

trigger pulses to the zero-crossings of the mains supply.
The detector produces a pulse, the duration of which is
determined by an external resistor, centred on the
zero-crossing of the mains voltage.

• A comparator with adjustable hysteresis, preventing

spurious triggering of the output. This compares a
thermistor voltage, a function of the room temperature,
with the voltage from the temperature selection dial.

• A voltage translation circuit for the potentiometer input.

Normally, the relatively small temperature variation in a
room (5˚C to 30˚C) corresponds to a narrow angle of
rotation of a potentiometer shaft. Use of this circuit
doubles the angle of rotation of the potentiometer shaft
for the same temperature range.

• A sensor fail-safe circuit to prevent triggering if the

thermistor input becomes open or short-circuited.

• A timing generator with an adjustable proportional band.

This allows a full 100% control of the load current over
a temperature range of only 1˚C or 5˚C. The repetition
period of the timing generator may be set by an external
capacitor to conform to the CENELEC specifications for
mains load switching.

• An output amplifier with a current-limited output. The

amplifier has an output current capability of at least
200mA and is stabilised to 10V while the current limit is
not exceeded.

• Input buffers, to isolate the voltage translation circuit

and comparator from external influences.

• A control gate circuit to activate the output if there is a

mains zero-crossing, the comparator is ON and the
fail-safe comparator is OFF.

Although designed specifically for time proportional control,
the TDA1023 is also suitable for applications requiring
on/off control if the timing generator is not used.

Required Duration of Triac Trigger Pulse

The main advantage of triggering at the instant when the
applied voltage passes through zero is that this mode of
operation renders the use of RF suppression components
unnecessary. For time-proportional control, continuous
conduction of the triac may be required for many cycles of
the mains supply. To maintain conduction while the load
current is approaching the zero-crossing, the trigger pulse
must last from the time when the load current falls to the
value of the triac holding current (I

H

), until the time when

the load current reaches the triac latching current (I

L

).

I L

I H

I L

t p(min)

I T

Triac current

Trigger pulse

Fig. 3  TDA1023 block diagram and external components

1

3

13

4

5

7

8

12

9

6

11

14

10

16

AC line

AC line

D1

RD

RS

R1

RP

CS

RNTC

Load

RG

CT

C1

Varistor

Input

buffers

Timing

generator

Voltage

translation

Zero

crossing
detector

Power

supply

Output

amplifier

Comparator

TDA1023

T1

538

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 4  Minimum pulse width as a function of supply voltage and latching current

In general, the latching current of a triac is higher than the
holding current, so the minimum trigger pulse duration may
be taken as twice the time for the load current in the triac
(I

T

) to rise from zero to the triac’s latching current. See Fig. 2.

The current passed by the triac is a function of its on-state
voltage, the load resistance, and the applied voltage. The
trigger pulse width is therefore a function of:

• triac latching current (I

L

)

• applied AC voltage (v = Vsin

ω

t)

• load resistance (R)

• on-state voltage of the triac (V

T

) at I

L

.

The load resistance is related to the nominal load power,
P and nominal supply voltage, V

s

by R=V

s

2

/P. Assuming

that the load resistance has a tolerance of 5% and the AC
voltage variation is 10%, the minimum required width of the

trigger pulse in the worst case can be calculated. The
graphs of Fig. 4 show t

p(MIN)

as a function of P for four

common mains voltages with values of 30mA, 60mA,
100mA, and 200mA for the triac latching current I

L

and a

maximum on-state voltage of V

T

=1.2V at I

L

.

Selection of external components

The external components required by the TDA1023
determine the operation of the device. The following
paragraphs describe the selection of these components to
ensure reliable operation under worst-case conditions.

Synchronisation Resistor, R

S

A current comparator is used as a zero-crossing detector
to provide trigger pulse synchronisation. It compares the
current through the synchronisation resistor (R

S

) with a

reference current. As the supply voltage passes through

539

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

zero, the current in the synchronisation resistor becomes
less than the reference current and a trigger pulse is given
until the current in R

S

increases above the reference level.

Thus, the duration of the trigger pulse depends upon the
rate of change of current in R

S

at the supply voltage

zero-crossing point. This rate of change is affected by:

• -the AC supply voltage

• the supply frequency

• the value of the synchronisation resistor.

Fig. 5 shows the value of R

S

as a function of trigger pulse

width, with the AC supply voltage as a parameter.

Fig. 5  Synchronisation resistor values as a function of

pulse width and AC voltage

Gate Resistor R

G

The guaranteed minimum amplitude of the output trigger
pulse of the TDA1023 is specified as 10V at an output
current less than 200mA. The output stage is protected
against damage due to short-circuits by current-limiting
action when the current rises above 200mA.

Although

the

output

is

current-limited,

it

is

still

advantageous to include a gate series resistor in the circuit.
Inclusion of a gate resistor to limit the gate current to the
minimum value required reduces the overall current
consumption and the power dissipation in the mains
dropping resistor. Furthermore, the point at which current
limiting occurs is subject to considerable variation between
samples of the TDA1023: a gate resistor will reduce the
effect of this in production circuits.

The rectangular output V/I characteristic of the TDA1023
is shown in Fig. 6. Load lines for various values of gate
resistor have been plotted on this diagram so that the
maximum value of gate resistor can be selected by plotting
horizontal and vertical lines to represent the required
minimum gate current and voltage. The following example
illustrates the use of Fig. 6.

The triac to be triggered is a Philips BT139. At 0˚C the trigger
pulse requirements for a standard BT139 are:

I

GT

= 98 mA

V

GT

= 1.6 V

These figures are for triggering with a positive gate pulse
when MT

2

is negative with respect to MT

1

. The lines

representing V

GT

= 1.6V and I

GT

=98 mA cross the load line

for a gate resistor value of 82 

. The maximum value of

gate resistor is therefore 82 

.

Fig. 6  Gate voltage as a function of output current and

gate resistor values

Gate Termination Resistor R

PD

The TDA1023 has a resistor approximately 1.5k

between

Pin 1 and Pin 13. This is intended for use as a pull-down
resistor when sensitive triacs are being used.

The Proportional Band Resistor R

5

The proportional band is the input voltage range that
provides control of 0% to 100% of the load power. The
TDA1023 has a built-in proportional band of V

pb

=80mV

(corresponding to about 1˚C) which can be increased by
the addition of resistor R

5

between Pin 5 and ground. The

maximum proportional band of 400mV is obtained by
shorting Pin 5 to ground.

Hysteresis Resistor R

4

The comparator of the TDA1023 is designed with built-in
hysteresis to eliminate instability and oscillation of the
output which would cause spurious triggering of the triac.
Apart from providing a stable two-state output, the
hysteresis gives the comparator increased noise immunity
and prevents half-waving.

Figure 7 shows the application of hysteresis to the
comparator and the transfer characteristic obtained. The
built-in hysteresis is 20mV; this may be increased by adding
a resistor (R

4

) from Pin 4 to ground which increases the

current I

H

. Pin 4 shorted to ground gives a maximum of

320mV. Table 2 gives the value of R

4

for a range of

hysteresis settings.

0

50

100

150

200

0

2

4

6

8

10

RG=22R

27

33

39

47

56

68

82

100

120

180

270

RG=

390R

IG (mA)

VGT (V)

0

100

200

300

400

0

100

200

300

400

500

600

Vs=380V

240V

220V

110V

tp (us)

R5 (kOhm)

540

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 7  Temperature control hysteresis characteristic

When the proportional band (V

pb

) is increased, it may be

necessary to increase the hysteresis voltage (V

h

). Table 2

also shows a range of proportional band settings, the values
of R

5

required for these, the corresponding minimum

hysteresis voltage and the maximum value of hysteresis
resistor R

4

.

Proportional

R

5

 (k

)

R

4

 (k

)

Hysteresis

Band (mV)

band (mV)

80

-

-

20

160

3.3

9.1

40

240

1.1

4.3

60

320

0.43

2.7

80

400

0.0

1.8

100

Table 2. Choice of components R

4

 and R

5

Voltage

AC

DC

Catalogue

(V)

rating (

µ

F)

value (

µ

F)

Number

25

47

68

2222 016 90129

40

33

47

2222 016 90131

25

22

33

2222 015 90102

40

15

22

2222 015 90101

25

10

15

2222 015 90099

40

6.8

10

2222 015 90098

Table 3. Preferred capacitors for use with TDA1023

Power

CENELEC C

T

(DC)

t

0(nom)

t

0(min)

t

0(max)

(W)

t

0

 (s)

(

µ

F)

(s)

(s)

(s)

2000

24.0

68

41

22

65

1800

16.0

47

28

15

45

1600

10.0

33

20

11

32

1400

7.0

22

13

7

21

1200

4.6

15

9

4.8

14

1000

2.0

10

6

3.2

9.6

800

0.8

10

6

3.2

9.6

600

0.3

10

6

3.2

9.6

Table 4. Timing capacitor values for 220V operation

Smoothing Capacitor, C

S

The smoothing capacitor is required to provide the supply
current to the TDA1023 during the negative half cycles of
the mains voltage waveform. As the TDA1023 possesses
an internal voltage stabilization circuit, a high input ripple
voltage can be tolerated. A practical preferred value of C

S

is 220

µ

F, 16V.

Timing Capacitor, C

T

The minimum repetition period required for a particular
application was given in Table 1. This timing is selected
using the external capacitor C

T

. Typical electrolytic

capacitors have wide tolerances: up to -10% to +50%.
Moreover, the effective DC capacitance is different from the
marked (AC) value, usually greater. Thus, the use of
standard capacitors may lead to repetition periods far in
excess of those required. A range of electrolytic capacitors
has been developed for use with the TDA1023 (Table 3).
All further references to C

T

assume the use of the preferred

capacitors which have the following advantages:

• DC capacitance is known for each marked AC value.

• Tolerance for the DC capacitance is

±

20%.

• Very low leakage current (<1

µ

A).

• Long lifetime (>100,000 hours at 40˚C).

Fig. 8  Temperature-sensing bridge circuit

Fig. 9  Temperature-sensing voltage translation circuit

V7

V6

Increasing temperature

VOUT

Ih.Rh

V9

V6

R1

R NTC

RP

V11

Buffer

Translation

circuit

Buffer

Comparator

Fail-safe

Comparator

0.95V

11

6

7

8

9

TDA1023

V

11

RP

R

V

11

R1

NTC

541

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 10  Average gate current as a function of R

G

 with R

S

 and AC voltage as parameters

The timing circuit

The TDA1023 employs a triangular waveform for timing
purposes. The advantages of using a triangular waveform
are that for a given capacitor value the triangular waveform
provides twice the repetition period that the sawtooth gives.
This allows the use of smaller capacitors and minimises the
effects of the capacitor leakage current thus reducing the
spread in repetition periods.

The published data for the TDA1023 specifies the repetition
period as 0.6 s 

±

 0.2 s/

µ

F. Table 4 shows the minimum

preferred value of C

T

(DC value) to provide the required

minimum repetition time for a range of appliance powers
operating at 220V AC. The resulting nominal, minimum,
and maximum repetition times are also given.

Input voltage translation circuit

Figure 8 shows a temperature sensing network which
requires a minimum of components and eliminates
performance spreads due to potentiometer tolerances. For
applications where the input voltage variation is very much

less than the available voltage then the required
temperature will be controlled by a small angle of rotation
of the potentiometer shaft.

The TDA1023 voltage

translation circuit allows the use of 80% of the potentiometer
rotation giving accurate control of the temperature. If the
voltage translation circuit is not used then pins 9 and 11
must be shorted together to disable the circuit. A block
diagram of the translation circuit is shown in Fig. 9.

Fail-safe circuits

The TDA1023 is fail-safe for both short-circuit and
open-circuit conditions. Either of these conditions will
prevent production of trigger pulses for the triac.

Short-circuit sensing is automatically obtained from the
normal temperature sensing circuit. When the thermistor
input voltage is zero, the triac will never be triggered
because the potentiometer slider voltage will be higher. To
sense the open-circuit thermistor condition, an extra
comparator is used. This fail-safe comparator will inhibit
output pulses if the thermistor input voltage rises above a

542

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

reference value (see Fig. 9).

Determination of required supply current

Before any calculations concerning the required supply
current can be made, the maximum average output current
of the TDA1023 must be determined. The minimum supply
current required is the sum of the following currents:

• the maximum average output current
• the current drawn by the temperature-sense circuit
• the current required by the integrated circuit.

For worst-case conditions, a 5% tolerance for R

S

and R

G

and a 10% variation of the mains is assumed. Figure 10
shows graphs of I

G(AV)max

as a function of R

G

and R

S

for four

50Hz supply voltages. Below R

G

=22

there is no further

increase in I

G

as the output current is limited. The current

drawn by the temperature-sensing circuit must not be
greater than 1mA. The current consumption of the

TDA1023 depends upon the hysteresis and proportional
band settings. Figure 11 shows the minimum supply current
as a function of the average output current for limit settings.

Fig. 11  Maximum required input current as function of

gate current for limits of hysteresis band settings

5

10

15

20

25

30

0

5

10

15

20

25

Gate
current
I3 (mA)

Supply current I16 (mA)

I4=0
I5=0

V4=0
V5=0

Fig. 12  Input current as a function of R

D

 and power dissipation (with and without series diode)

543

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The mains dropping resistor, R

D

The value of the mains dropping resistor must be chosen
such that the average supply current to the input of the
TDA1023 is at least equal to the required minimum. The
value of the resistor R

D

is defined by the maximum current

that can flow into Pin 16, the maximum peak mains voltage,
and the minimum voltage at Pin 16. Table 5 shows practical
values for R

D(min)

for four common mains supply voltages

Supply voltage V

s

 (V)

R

D(min)

 (k

)

110

2.0

220

3.9

240

4.3

380

7.5

Table 5. Mains dropping resistor values

Fig. 13  Use of a mains dropping capacitor, C

D

The power dissipated by the dropping resistor has been
computed for four mains voltages as a function of R

D

and

the results plotted on the graphs of Fig. 12. The power
dissipated in R

D

may be considerably reduced by the

addition of a series diode as in Fig. 14. In this case there
is no conduction through R

D

during the negative half-cycle

of the supply voltage, giving a reduction of more than 50%
of the power dissipated in R

D

.

Use of a mains dropping capacitor

It is possible to replace the mains dropping resistor and
series diode with a capacitor, Fig. 13, and thereby reduce
the power dissipation in the voltage reduction components
still further. However, for mains voltages below 200V, the
power dissipated by the dropping resistor is comparatively
small and the use of a capacitor is not considered to be
necessary. For mains voltages above 240V, the additional
cost of the required high-voltage capacitor is not justified.
For these reasons, it is recommended that capacitive
voltage reduction is only used with mains supplies of
200V(RMS) or 240V(RMS).

When selecting a capacitor for mains voltage reduction, the
following points must be considered:

• AC voltage rating

• Suppression of mains-borne transients - A

voltage-dependent resistor must be connected
across the mains input to limit mains borne transients.
For R

SD

=390

this yields a maximum transient

voltage of about 740V. For 220V operation, a VDR
(catalogue number 2322 594 13512) will limit the
supply voltage to the required level during current
transients of up to about 200A. For 240V operation,
a VDR (catalogue number 2322 594 13912) will limit
the supply voltage to the required level during current
transients of up to about 80A.

• Limit of Inrush current - The capacitor C

D

must not

be chosen so large that the input current to the
TDA1023 violates the absolute maximum specified in
the published data. A practical value for C

D

is 680nF.

Resistor R

SD

must also limit the peak value of the

inrush current to less than 2A under worst case
operating conditions. With a 240V (+10%) supply, the
value of 390

(-5%) will limit the worst case peak

value of the inrush current to:

Triac protection

If the mains dropping circuit consists of capacitor C

D

and

resistor R

SD

, a VDR must be included in the circuit as

described above. This VDR will also protect the triac against
current surges in the mains supply. If the mains dropping
circuit consists of resistor R

D

and diode D1, the VDR may

be connected directly across the triac, giving improved
protection due to the series resistance of the heater. Current
surges in the supply will not harm the TDA1023 as the
dropping resistor will limit the current to a safe level.

Application examples

The TDA1023 is intended primarily for room temperature
control using electric panel heaters. The controllable heater
power range is from 400W to 2000W, although the upper
limit may be increased by suitable choice of triacs and/or
heatsinks. The TDA1023 may also be used as a time
proportional switch for cooker elements and similar
devices, giving 100% control of the power dissipation.

1. Domestic panel heater controller

Figure 3 showed the design for a time proportional heater
control using the TDA1023. Economies may be gained by
the use of smaller or lower power components and so two
versions are described in Table 6. Version A, for heaters
from 400W to 1200W, uses a BT138 triac and a 15

µ

F timing

capacitor, version B, for heaters from 1200W to 2000W,
uses a BT139 triac and a 68

µ

F timing capacitor. Table 6

gives the necessary component values under worst case
conditions for each of these versions for use with mains
supplies of 220V, 50Hz.

13

16

CD

RSD

Varistor

TDA1023

240

×

1.1

0.95

×

390

√

2

=

1.01A

544

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The capacitor C1 has been included in the circuit of Fig. 3
to minimise sensor line interference pick-up. This is only
necessary when the sensor is remote from the control
circuit. The built-in hysteresis and proportional band
provides optimum performance for panel heaters so pins 4
and 5 are not connected.

Component

Version A

Version B

400W - 1200W

1200W - 2000W

T

1

BT138-500

BT139-500

VDR 

1

350V, 1mA

350V, 1mA

D

1

BYX10G

BYX10G

R

1

 

2

18.7k

18.7k

R

NTC

 

3

R25=22k

,B=4200k R25=22k

, B=4200k

R

P

22k

22k

R

D

4.3k

6.2k

R

G

82

82

R

S

430k

180k

C

1

47nF

47nF

C

S

220

µ

F, 16V

220

µ

F, 16V

C

T

15

µ

F (DC)

68

µ

F (DC)

C

D

 

4

680nF

470nF

R

SD

 

4

390

390

Notes: 1. Cat. No. 2322 594 13512

2. 1% tolerance
3. Cat. No. 2322 642 12223
4. Only required if used in place of D

1

and R

D

Table 6. 220V, 50Hz temperature controller components

2. Temperature control of 2kW load.

For a load power of 2kW the BT139 triac must be used. The
circuit is also that shown in Fig. 3. Table 7 gives a summary
of the required component values.

Component

Value

Remarks

T

1

BT139-500

VDR

350V, 1mA

No. 2322 594 13912

D

1

BYX10G

R

1

18.7k

1% tolerance

R

NTC

R25=22k

, B=4200k No. 2322 642 12223

R

P

22k

R

D

6.8k

R

G

82

R

S

150k

C

1

47nF

C

S

220

µ

F, 16V

C

T

47

µ

F (DC)

No. 2222 016 90129

Table 7. 2000W, 220V, 50Hz temperature controller

Value of R

S

The required trigger pulse width can be found from Fig. 4
as a function of the load power, latch current and supply
voltage (2000W, 60mA, and 220V, 50Hz, respectively):
t

p(min)

=64

µ

s. A value of R

S

=135k

provides a trigger pulse

of the required duration. The next preferred value above
this is 150k

, providing a t

p(min)

of approximately 70

µ

s.

Value of R

G

The maximum value of R

G

that may be used is determined

by the minimum conditions to reliably trigger all samples of
the triac. In Fig. 6 it can be seen that the operation point of
1.6V and 98 mA lies on the load line for 82

and this is the

value chosen.

Value of C

T

For a load of 2kW, the repetition period must be at least
24s (from Table 1). From Table 4 the minimum preferred
value of C

T

to provide this period is 68

µ

F. However, due to

the different performance under AC and DC conditions,
then from Table 3, the actual capacitor used should be
47

µ

F, 25V.

Value of R

1

and R

P

For control over the range 5˚C to 35˚C and a thermistor
characteristics with R

25

=22k

, a suitable value of R

1

is

18.7k

Ω ±

1%. A suitable value for R

P

is 22k

.

Value of R

D

First, the maximum average output current must be found.
From Fig. 10 the maximum gate current I

G

is given as a

function of the values of resistors R

S

and R

G

. For this circuit

I

G(AV)max

=5 mA. Once the maximum average output current

is known, the minimum required supply current can be
found from Fig. 11. With minimum hysteresis and
proportional band, the average value of the supply current
is 12.5 mA. Using this value of input current the required
value of R

D

can be found from Fig. 12 giving R

D

 = 5.6 k

.

The power dissipation in the resistor when diode D

1

is

present in the circuit is then 5 W.

3. Time proportional power control

The TDA1023 may be used to provide proportional control
of devices such as electric cooker elements. The
temperature-sensing bridge is replaced by a potentiometer,
the power

in the load

being proportional

to the

potentiometer setting. Proportional power control is thus
obtained while the potentiometer voltage lies between the
upper and lower limits of the triangular waveform
comparator input.

As the timing capacitor is charged and discharged by
current sources, the voltage across it will never reach zero,
so that load power will be zero before the potentiometer
reaches its minimum setting. Similarly, maximum load
power is reached before the maximum setting of the
potentiometer. This effect can be reduced by the addition
of resistors R

1

and R

2

. To ensure that 0% and 100% load

545

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

power can be selected by the potentiometer setting, the
values of R

1

and R

2

should each be limited to 10% of the

value of R

P

.

All the circuit components are calculated in the same way
as for the temperature controller, including the timing
capacitor C

T

. An example circuit, with components suitable

for the control of loads from 1kW to 2kW from 220V, 50Hz
supplies, is shown in Fig. 14 and Table 8.

Component

Value

T

1

BT139-500

VDR

ZnO, 350V, 1mA

D

1

BYX10G

R

1

4.7k

R

2

4.7k

R

P

47k

R

D

5.6k

R

G

82

R

S

220k

C

S

220

µ

F, 16V

C

T

47

µ

F, 25V

Table 8. Time proportional power controller

Fig. 14  Time-proportional power regulation circuit

4. Phase control circuit using the TDA1023

Figure 15 shows an adjustable phase control trigger circuit
suitable for thyristor or triac controller applications. The
circuit uses the TDA1023 control chip and an NE555 timer
device to give output phase control proportional to the input
voltage command.

AC line

AC line

D1

RD

RS

CS

Load

RG

CT

Varistor

TDA1023

R1

R2

RP

11

14

10

16

3

13

12

7

6

9

T1

Fig. 15  Adjustable phase SCR/Triac trigger circuit

546

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Hi-Com Triacs

547

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

6.3.1  Understanding Hi-Com Triacs

Hi-Com triacs from Philips Semiconductors are specifically
designed to give superior triac commutation performance
in the control of motors for domestic equipment and tools.
These devices are suitable for use with a wide variety of
motor and inductive loads without the need for a protective
snubber. The use of a Hi-Com triac greatly simplifies circuit
design and gives significant cost savings to the designer.

This product information sheet explains how the superior
characteristics and performance of Hi-Com triacs removes
design limitations of standard devices.

Triac commutation explained

A triac is an AC conduction device, and may be thought of
as two antiparallel thyristors monolithically integrated onto
the same silicon chip.

In phase control circuits the triac often has to be triggered
into conduction part way into each half cycle. This means
that at the end of each half cycle the on-state current in one
direction must drop to zero and not resume in the other
direction until

the device is triggered again. This

"commutation" turn-off capability is at the heart of triac
power control applications.

If the triac were truly two separate thyristors this
requirement would not present any problems. However, as
the two are on the same piece of silicon there is the
possibility that the "reverse recovery current" (due to
unrecombined charge carriers) of one thyristor as it turns
off, may act as gate current to trigger the other thyristor as
the voltage rises in the opposite direction. This is described
as a "commutation failure" and results in the triac continuing
to conduct in the opposite direction instead of blocking.

The probability of any device failing commutation is
dependent on the rate of rise of reverse voltage (dV/dt) and
the rate of decrease of conduction current (dI/dt). The
higher the dI/dt the more unrecombined charge carriers are
left at the instant of turn-off. The higher the dV/dt the more
probable it is that some of these carriers will act as gate
current. Thus the commutation capability of any device is
usually specified in terms of the turn-off dI/dt and the
re-applied dV/dt it can withstand, at any particular junction
temperature.

If a triac has to be operated in an inductive load circuit with
a combination of dI/dt and dV/dt that exceeds its
specification, it is necessary to use an RC-snubber network
in parallel with the device to limit the dV/dt. This is at a
penalty of extra circuit complexity and dissipation in the
snubber. The "High Commutation" triacs (Hi-Com triacs)
are designed to have superior commutation capability, so
that even at a high rate of turn-off (dI/dt) and a high rate of
re-applied dV/dt they can be used without the aid of a

snubber network, thus greatly simplifying the circuit. The
design features of Hi-Com devices that have made this
possible are:

Geometric separation of the two
antiparallel thyristors

Commutation failure can be avoided by physically
separating the two ’thyristor halves’ of a triac. However,
separating them into two discrete chips would remove the
advantage of a triac being triggerable in both directions by
the same gate connection. Within the integrated structure
of a Hi-Com triac the two halves of the device are kept
further apart by modifying the layout of the chip in order to
lessen the chance of conduction in one half affecting the
other half.

Emitter shorting

"Emitter shorts" refer to the on-chip resistive paths between
emitter and base of a transistor. A higher degree of emitter
shorting means the presence of more such paths and lower
resistance values in them. The use of emitter shorts in a
triac has two effects on commutation.

Fig. 1  Standard triac triggering quadrants

Firstly it reduces the gain of the internal transistors that
make up the triac. This means there will be fewer carriers
left to recombine when the conduction current falls to zero,
and therefore a smaller probability that a sufficient number
will be available to re-trigger the triac. The second way in
which emitter shorts help commutation is that any
unrecombined carriers in the conducting thyristor at turn-off

Quadrant 1

Quadrant 2

Quadrant 4

Quadrant 3

G+

G-

MT2+

MT2-

I

G

I

G

I

G

I

G

+

+

-

-

+

-

+

-

549

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

will have more chance of flowing out through the emitter
shorts (of the opposite thyristor) rather than acting as gate
current to trigger that thyristor on.

The Hi-Com triacs have a higher degree of emitter shorting
both around the periphery of the device and in the central
part of the active area. This both reduces the number of
carriers available, and lessens the danger of any available
carriers acting as gate current for undesirable triggering.

Modified gate structure

The gate of a triac allows conduction in both directions to
be initiated by either a positive or a negative current pulse
between gate (G) and main terminal (MT1). The four
different modes of triggering are often called 1+, 1-, 3- and
3+ (or sometimes quadrants 1, 2, 3 and 4) and are shown
in Fig. 1.

This triggering versatility arises from the fact that the gate
consists of some elements which conduct temporarily
during the turn-on phase. In particular, one of the triggering
modes, 3+ (or quadrant 4), relies on the main terminal 1
supplying electrons to trigger a thyristor element in the
gate-MT1 boundary. Conduction then spreads to the main
thyristor element from this boundary.

Unfortunately the carrier distribution in this triggering mode
of operation is very similar to that existing when the triac is
commutating in the 1-to-3 direction (i.e changing from

conduction with MT2 positive to blocking with MT1 positive).
The presence of the element in the gate to allow 3+
triggering

will

therefore

always

also

undermine

commutation capability in the 1-to-3 direction. For this
reason the Hi-Com triacs have a modified gate design to
remove this structure. This incurs the penalty that the 3+
trigger mode cannot be used, but it greatly improves the
commutation performance of the device.

Conclusions

By modifications to the internal design and layout of the
triac it is possible to achieve a high commutation capability
triac for use in inductive and motor load applications. These
modifications have been implemented in the Hi-Com range
of devices from Philips Semiconductors. The devices can
be used in all typical motor control applications without the
need for a snubber circuit. The commutation capability of
the devices is well in excess of the operating conditions in
typical applications.

As the loss of the fourth trigger quadrant can usually be
tolerated in most designs, Hi-Com triacs can be used in
existing motor control applications without the snubber
network required for a standard device. This gives the
designer significant savings in design simplicity, board
space and system cost.

550

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

6.3.2  Using Hi-Com Triacs

Hi-Com triacs from Philips Semiconductors are specifically
designed to give superior triac commutation performance
in the control of motors for domestic equipment and tools.
These devices are suitable for use with a wide variety of
motor and inductive loads without the need for a snubber.
The use of a Hi-Com triac greatly simplifies circuit design
and gives significant cost savings to the designer.

This product information sheet explains how the need for
a triac snubber arises and how the superior performance
of Hi-Com triacs removes design limitations of standard
devices. The Hi-Com range is summarised in Table 1.

Triac commutation

For resistive loads the device current is in phase with the
line

voltage.

Under

such

conditions

triac

turn-off

(commutation) occurs at the voltage "zero-crossover" point.
This is not a very severe condition for triac commutation:
the slow rising dV/dt gives time for the triac to turn off
(commutate) easily.

The situation is quite different with inductive or motor loads.
For these circuits conduction current lags behind the line
voltage as shown in Fig. 1. When triac commutation occurs
the rate of rise of voltage in the opposite direction can be
very rapid and is governed by the circuit and device

characteristics. This high dV/dt means there is a much
higher probability of charge carriers in the device
re-triggering the triac and causing a commutation failure.

Hi-Com triacs

Hi-Com triacs are specifically designed for use with ac
inductive loads such as motors. As commutation capability
is not an issue for resistive load applications then standard
triacs are still the most appropriate devices for these
applications. The significant advantage of a Hi-Com triac
is that it has no limitation on the rate of rise of reapplied
voltage at commutation. This removes the requirement for
a snubber circuit in inductive load circuits. An additional
advantage of the Hi-Com design is that the off-state (static)
dv/dt capability of the device is also significantly improved.

When using Hi-Com triacs in inductive load applications the
trigger circuit cannot trigger the device in the fourth (3+)
quadrant (Fig. 2). Fortunately the vast majority of circuit
designs do not require this mode of operation and so are
suitable for use with Hi-Com triacs without modification. The
circuit of Fig. 3 is a typical example of the simplest type of
trigger circuit. Hi-Com triacs are equally suitable for use
with microcontroller trigger circuits.

Parameter

BTA212-600B

BTA212-800B

BTA216-600B

BTA216-800B

Repetitive peak voltage

V

DRM

 (V)

600

800

600

800

RMS on-state current

I

T(RMS)

 (A)

12

12

16

16

Gate trigger current

I

GT

 (mA)

2 - 50

2 - 50

2 - 50

2 - 50

Off state dv/dt

dV

D

/dt (V/

µ

s)

1000

1000

1000

1000

Commutating di/dt

dI

com

/dt (A/ms)

24

24

28

28

Turn-on di/dt

dI

T

/dt (A/

µ

s)

50

50

50

50

Package

TO220

TO220

TO220

TO220

Table 1. Philips Semiconductors Hi-Com Triac range

551

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thyristors and Triacs

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 1  Triac commutation waveforms (inductive load)

Fig. 2  Hi-Com triac triggering quadrants

Device limiting values

i) Trigger current, I

GT

Trigger current for the Hi-Com triacs is in the range 2mA to
50mA. This means that gate currents due to noise that are
below 2mA in amplitude can be guaranteed not to trigger
the devices. This gives the devices a noise immunity feature
that is important in many applications. The trigger current
delivered by the trigger circuit must be greater than 50mA
under all conditions in order to guarantee triggering of the
device when required. As discussed above, triggering is

only possible in the 1+, 1- and 3- quadrants.

Fig. 3  Phase control circuit using Hi-Com triac

ii) Rate of change of current, dI

com

/dt

Hi-Com triacs do not require a snubber network providing
that the rate of change of current prior to commutation is
less than the rating specified in the device data sheet. This
dI

com

/dt limit is well in excess of the currents that occur in

the device under normal operating conditions, during
transients such as start-up and faults such as the stalled
motor condition.

For the 12A Hi-Com triacs the limit commutating current is
typically 24A/ms at 125˚C. This corresponds to an RMS
current of 54A at 50Hz. For the 16A Hi-Com triacs the limit
commutating current is typically 28A/ms at 125˚C. This
corresponds to an RMS current of 63A at 50Hz. Typical
stall currents for an 800W domestic appliance motor are in
the range 15A to 20A and so the commutation capability of
the Hi-Com triacs is well above the requirement for this type
of application.

Conclusions

The Hi-Com range of devices from Philips Semiconductors
can be used in all typical motor control applications without
the need for a snubber circuit. The commutation capability
of the devices is well in excess of the operating conditions
in typical applications.

As the loss of the fourth trigger quadrant can usually be
tolerated in most designs, Hi-Com triacs can be used in
existing motor control applications. By removing the
snubber the use of a Hi-Com triac gives the designer
significant savings in design simplicity, board space and
system cost.

V

DWM

-dI/dt

dV

com

/dt

Time

Time

Time

Supply

voltage

Load

current

Voltage

across

triac

Trigger
pulses

Current

Hi-Com triac

M

Quadrant 1

Quadrant 2

Quadrant 4

Quadrant 3

G+

G-

MT2+

MT2-

I

G

I

G

I

G

+

+

-

-

+

-

No triggering

possible

552

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thermal Management

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

CHAPTER 7

Thermal Management

7.1  Thermal Considerations

553

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thermal Management

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Thermal Considerations

555

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thermal Management

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

7.1.1  Thermal Considerations for Power Semiconductors

The perfect power switch is not yet available. All power
semiconductors dissipate power internally both during the
on-state and during the transition between the on and off
states. The amount of power dissipated internally generally
speaking increases in line with the power being switched
by the semiconductor. The capability of a switch to operate
in a particular circuit will therefore depend upon the amount
of power dissipated internally and the rise in the operating
temperature of the silicon junction that this power
dissipation causes. It is therefore important that circuit
designers are familiar with the thermal characteristics of
power semiconductors and are able to calculate power
dissipation limits and junction operating temperatures.

This chapter is divided into two parts. Part One describes
the essential thermal properties of semiconductors and
explains the concept of a limit in terms of continuous mode
and pulse mode operation. Part Two gives worked
examples showing junction temperature calculations for a
variety of applied power pulse waveforms.

PART ONE

The power dissipation limit

The maximum allowable power dissipation forms a limit to
the safe operating area of power transistors. Power
dissipation causes a rise in junction temperature which will,
in turn, start chemical and metallurgical changes. The rate
at which these changes proceed is exponentially related to
temperature, and thus prolonged operation of a power
transistor above its junction temperature rating is liable to
result in reduced life. Operation of a device at, or below, its
power

dissipation

rating

(together

with

careful

consideration of thermal resistances associated with the
device) ensures that the junction temperature rating is not
exceeded.

All power semiconductors have a power dissipation
limitation. For rectifier products such as diodes, thyristors
and triacs, the power dissipation rating can be easily
translated in terms of current ratings; in the on-state the
voltage drop is well defined. Transistors are, however,
somewhat more complicated. A transistor, be it a power
MOSFET or a bipolar, can operate in its on-state at any
voltage up to its maximum rating depending on the circuit
conditions. It is therefore necessary to specify a Safe
Operating Area (SOA) for transistors which specifies the
power dissipation limit in terms of a series of boundaries in
the current and voltage plane. These operating areas are
usually presented for mounting base temperatures of 25 ˚C.
At higher temperatures, operating conditions must be
checked to ensure that junction temperatures are not
exceeding the desired operating level.

Continuous power dissipation

The total power dissipation in a semiconductor may be
calculated from the product of the on-state voltage and the
forward conduction current. The heat dissipated in the
junction of the device flows through the thermal resistance
between the junction and the mounting base, R

thj-mb

. The

thermal equivalent circuit of Fig. 1 illustrates this heat flow;
P

tot

can be regarded as a thermal current, and the

temperature difference between the junction and mounting
base

T

j-mb

as a thermal voltage. By analogy with Ohm’s

law, it follows that:

Fig. 1  Heat transport in a transistor with power

dissipation constant with respect to time

Fig. 2 shows the dependence of the maximum power
dissipation on the temperature of the mounting base. P

totmax

is limited either by a maximum temperature difference:

or by the maximum junction temperature T

jmax

(T

mb K

is

usually 25˚C and is the value of T

mb

above which the

maximum power dissipation must be reduced to maintain
the operating point within the safe operating area).

In the first case, T

mb

 

 T

mb K

:

that is, the power dissipation has a fixed limit value (P

tot max K

is the maximum d.c. power dissipation

below T

mb K

). If the

transistor is subjected to a mounting-base temperature
T

mb 1

, its junction temperature will be less than T

jmax

by an

amount (T

mbK

 - T

mb 1

), as shown by the broken line in Fig. 2.

P

tot

=

T

j

T

mb

R

thj

mb

1

T

j

mb max

=

T

jmax

T

mb K

2

P

tot max K

=

T

j

mb max

R

thj

mb

;

3

557

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thermal Management

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 2  Maximum d.c. power dissipation in a transistor

as a function of the mounting-base temperature

In the second case, T

mb

 > T

mb K

:

that is, the power dissipation must be reduced as the
mounting base temperature increases along the sloping
straight line in Fig. 2. Equation 4 shows that the lower the
thermal resistance R

thj-mb

, the steeper is the slope of the

line. In this case, T

mb

is the maximum mounting-base

temperature that can occur in operation.

Example

The following data is provided for a particular transistor.

P

tot maxK

= 75 W

T

jmax

= 175 ˚C

R

thj-mb

2 K/W

The maximum permissible power dissipation for continuous
operation at a maximum mounting-base temperature of
T

mb

 = 80 ˚C is required.

Note that the maximum value of T

mb

is chosen to be

significantly higher than the maximum ambient temperature
to prevent an excessively large heatsink being required.

From Eq. 4 we obtain:

Provided that the transistor is operated within SOA limits,
this value is permissible since it is below P

tot max K

. The same

result can be obtained graphically from the P

tot max

diagram

(Fig. 3) for the relevant transistor.

Fig. 3  Example of the determination of maximum power

dissipation

Pulse power operation

When a power transistor is subjected to a pulsed load,
higher peak power dissipation is permitted. The materials
in a power transistor have a definite thermal capacity, and
thus the critical junction temperature will not be reached
instantaneously, even when excessive power is being
dissipated in the device. The power dissipation limit may
be extended for intermittent operation. The size of the
extension will depend on the duration of the operation
period (that is, pulse duration) and the frequency with which
operation occurs (that is, duty factor).

Fig. 4  Heating of a transistor chip

If power is applied to a transistor, the device will immediately
start to warm up (Fig. 4). If the power dissipation continues,
a balance will be struck between heat generation and
removal resulting in the stabilisation of T

j

and

T

j-mb

. Some

heat energy will be stored by the thermal capacity of the
device, and the stable conditions will be determined by the
thermal resistances associated with the transistor and its
thermal environment. When the power dissipation ceases,
the device will cool (the heating and cooling laws will be
identical, see Fig. 5). However, if the power dissipation
ceases before the temperature of the transistor stabilises,
the peak values of T

j

and

T

j-mb

will be less than the values

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Tmb /   C

Ptotmax / W

100 

90 

80 

70 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

47.5

P

tot max

=

T

jmax

T

mb

R

thj

mb

;

4

P

tot max

=

175

80

2

W

, =

47.5 W

558

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thermal Management

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

reached for the same level of continuous power dissipation
(Fig. 6). If the second pulse is identical to the first, the peak
temperature attained by the device at the end of the second
pulse will be greater than that at the end of the first pulse.
Further pulses will build up the temperature until some new
stable situation is attained (Fig. 7). The temperature of the
device in this stable condition will fluctuate above and below
the mean. If the upward excursions extend into the region
of excessive T

j

then the life expectancy of the device may

be

reduced.

This

can

happen

with

high-power

low-duty-factor pulses, even though the

average power is

below the d.c. rating of the device.

Fig. 5  Heating and cooling follow the same law

Fig. 6  The peak temperature caused by a short power

pulse can be less than the steady-state temperature

resulting from the same power

Fig. 8 shows a typical safe operating area for d.c. operation
of a power MOSFET. The corresponding rectangular-pulse
operating areas with a fixed duty factor,

δ

 = 0, and the pulse

time t

p

as a parameter, are also shown. These boundaries

represent the largest possible extension of the operating
area for particular pulse times. When the pulse time
becomes very short, the power dissipation does not have
a limiting action and the pulse current and maximum voltage
form the only limits. This rectangle represents the largest
possible pulse operating area.

Fig. 7  A train of power pulses increases the average

temperature if the device does not have time to cool

between pulses

Fig. 8  D.C. and rectangular pulse operating areas with

fixed parameters 

δ

=0, t

p

 and T

mb

=25˚C

In general, the shorter the pulse and the lower the
frequency, the lower the temperature that the junction
reaches. By analogy with Eq. 3, it follows that:

where Z

thj-mb

is the transient thermal impedance between

the junction and mounting base of the device. It depends
on the pulse duration t

p

, and the duty factor

δ

, where:

1

100

VDS / V

ID / A

100

10

1

0.1

  10 us

 100 us

   1 ms

  10 ms

RDS(ON) = VDS/ID

 100 ms

   DC

 tp =

BUK553-100

10

B

A

P

tot M

=

T

j

T

mb

Z

thj

mb

,

5

559

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thermal Management

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

and T is the pulse period. Fig. 9 shows a typical family of
curves for thermal impedance against pulse duration, with
duty factor as a parameter.

Fig. 9  Example of the presentation of the transient

thermal impedance as a function of the pulse time with

duty factor as parameter

Again, the maximum pulse power dissipation is limited
either by the maximum temperature difference

T

j-mb max

(Eq. 2), or by the maximum junction temperature T

jmax

, and

so by analogy with Eqs. 3 and 4:

when T

mb

 

 T

mb K

, and:

when T

mb

 > T

mb K

. That is, below a mounting-base

temperature of T

mb K

, the maximum power dissipation has

a fixed limit value; and above T

mb K

, the power dissipation

must be reduced linearly with increasing mounting-base
temperature.

Short pulse duration (Fig. 10a)

As the pulse duration becomes very short, the fluctuations
of junction temperature become negligible, owing to the
internal thermal capacity of the transistor. Consequently,
the only factor to be considered is the heating of the junction
by the average power dissipation; that is:

The transient thermal impedance becomes:

The Z

thj-mb

curves approach this value asymptotically as t

p

decreases. Fig. 9 shows that, for duty factors in the range
0.1 to 0.5, the limit values given by Eq. 10 have virtually
been reached at t

p

 = 10

-6

 s.

Fig. 10  Three limit cases of rectangular pulse loads:

(a) short pulse duration

(b) long pulse duration

(c) single-shot pulse

Long pulse duration (Fig. 10b)

As the pulse duration increases, the junction temperature
approaches a stationary value towards the end of a pulse.
The transient thermal impedance tends to the thermal
resistance for continuous power dissipation; that is:

Fig. 9 shows that Z

thj-mb

approaches this value as t

p

becomes

large. In general, transient thermal effects die out in most
power transistors within 0.1 to 1.0 seconds. This time
depends on the material and construction of the case, the
size of the chip, the way it is mounted, and other factors.
Power pulses with a duration in excess of this time have
approximately the same effect as a continuous load.

δ=

t

p

T

,

6

lim

t

p

0

Z

thj

mb

R

thj

mb

10

1E-07

1E-05

1E-03

1E-01

1E+01

t / s

Zth j-mb / (K/W)

1E+01 

1E+00 

1E-01 

1E-02 

1E-03 

0

0.5

0.2

0.1

0.05

0.02

  =

t

p

t

p

T

T

P

t

D

  =

BUK553-100A

P

tot max K

=

T

j

mb max

Z

thj

mb

,

7

P

tot M max

=

T

jmax

T

mb

Z

thj

mb

,

8

lim

t

p

→ ∞

Z

thj

mb

=

R

thj

mb

11

P

tot

(

av

)

= δ

P

tot M

9

560

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thermal Management

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Single-shot pulses (Fig. 10c)

As the duty factor becomes very small, the junction tends
to cool down completely between pulses so that each pulse
can be treated individually. When considering single
pulses, the Z

thj-mb

values for

δ

 = 0 (Fig. 9) give sufficiently

accurate results.

PART TWO

Calculating junction temperatures

Most applications which include power semiconductors
usually involve some form of pulse mode operation. This
section gives several worked examples showing how
junction temperatures can be simply calculated. Examples
are given for a variety of waveforms:

(1) Periodic Waveforms

(2) Single Shot Waveforms

(3) Composite Waveforms

(4) A Pulse Burst

(5) Non Rectangular Pulses

From the point of view of reliability it is most important to
know what the peak junction temperature will be when the
power waveform is applied and also what the average
junction temperature is going to be.

Peak junction temperature will usually occur at the end of
an applied pulse and its calculation will involve transient
thermal impedance. The average junction temperature
(where applicable) is calculated by working out the average
power dissipation using the d.c. thermal resistance.

Fig. 11  Periodic Rectangular Pulse

When considering the junction temperature in a device, the
following formula is used:

where

T

j-mb

is found from a rearrangement of equation 7.

In all the following

examples the mounting base

temperature (T

mb

) is assumed to be 75˚C.

Periodic rectangular pulse

Fig. 11 shows an example of a periodic rectangular pulse.
This type of pulse is commonly found in switching
applications. 100W is dissipated every 400

µ

s for a period

of 20

µ

s, representing a duty cycle (

δ

) of 0.05. The peak

junction temperature is calculated as follows:

The value for Z

th j-mb

is taken from the

δ

=0.05 curve shown

in Fig. 12 (This diagram repeats Fig. 9 but has been
simplified for clarity). The above calculation shows that the
peak junction temperature will be 85˚C.

Single shot rectangular pulse

Fig. 13 shows an example of a single shot rectangular
pulse. The pulse used is the same as in the previous
example, which should highlight the differences between
periodic and single shot thermal calculations. For a single
shot pulse, the time period between pulses is infinity, ie the
duty cycle

δ

=0. In this example 100W is dissipated for a

period of 20

µ

s. To work out the peak junction temperature

the following steps are used:

The value for Z

th j-mb

is taken from the

δ

=0 curve shown in

Fig. 12. The above calculation shows that the peak junction
temperature will be 4˚C above the mounting base
temperature.

Peak T

j

:

t

=

2

×

10

5

s

P

=

100W

δ =

20

400

=

0.05

Z

th j

mb

=

0.12K/W

T

j

mb

=

P

×

Z

th j

mb

=

100

×

0.12

=

12

°

C

T

j

=

T

mb

+ ∆

T

j

mb

=

75

+

12

=

87

°

C

Average T

j

:

P

av

=

P

× δ =

100

×

0.05

=

5W

T

j

mb

(

av

)

=

P

av

×

Z

thj

mb

(δ =

1

)

=

5

×

2

=

10

°

C

T

j

(

av

)

=

T

mb

+ ∆

T

j

mb

(

av

)

=

75

+

10

=

85

°

C

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

0

20

40

60

80

100

400

420

440

460

480

POWER(W)

TIME(uS)

0

20

40

60

80

100

400

420

440

460

480

TIME(uS)

Tmb

Tjpeak

Tj

t

=

2

×

10

5

s

P

=

100W

δ =

0

Z

th j

mb

=

0.04K/W

T

j

mb

=

P

×

Z

th j

mb

=

100

×

0.04

=

4

°

C

T

j

=

T

mb

+ ∆

T

j

mb

14

561

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thermal Management

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 12  Thermal impedance curves for 

δ

=0.05 and 

δ

=0

Fig. 13  Single Shot Pulse

For a single shot pulse, the average power dissipated and
average junction temperature are not relevant.

Composite rectangular pulse

In practice, a power device frequently has to handle
composite waveforms, rather than the simple rectangular
pulses shown so far. This type of signal can be simulated
by superimposing several rectangular pulses which have a
common period, but both positive and negative amplitudes,
in addition to suitable values of t

p

and

δ

.

By way of an example, consider the composite waveform
shown in Fig. 14. To show the way in which the method
used for periodic rectangular pulses is extended to cover
composite waveforms, the waveform shown has been
chosen to be an extension of the periodic rectangular pulse
example. The period is 400

µ

s, and the waveform consists

of three rectangular pulses, namely 40W for 10

µ

s, 20W for

150

µ

s and 100W for 20

µ

s. The peak junction temperature

may be calculated at any point in the cycle. To be able to
add the various effects of the pulses at this time, all the
pulses, both positive and negative, must end at time t

x

in

the first calculation and t

y

in the second calculation. Positive

pulses increase the junction temperature, while negative
pulses decrease it.

Calculation for time t

x

In equation 15, the values for P

1

, P

2

and P

3

are known:

P

1

=40W, P

2

=20W and P

3

=100W. The Z

th

values are taken

from Fig. 9. For each term in the equation, the equivalent
duty cycle must be worked out. For instance the first
superimposed pulse in Fig. 14 lasts for a time t1 = 180

µ

s,

representing a duty cycle of 180/400 = 0.45 = 

δ

. These

values can then be used in conjunction with Fig. 9 to find a
value for Z

th

, which in this case is 0.9K/W. Table 1a gives

the values calculated for this example.

t1

t2

t3

t4

180

µ

s 170

µ

s 150

µ

s

20

µ

s

Repetitive

δ

0.450

0.425

0.375

0.050

T=400

µ

s

Z

th

0.900

0.850

0.800

0.130

Single Shot

δ

0.000

0.000

0.000

0.000

T=

Z

th

0.130

0.125

0.120

0.040

Table 1a. Composite pulse parameters for time t

x

1E-07

1E-05

1E-03

1E-01

1E+01

t / s

Zth j-mb / (K/W)

1E+01 

1E+00 

1E-01 

1E-02 

1E-03 

0

0.05

  =

t

p

t

p

T

T

P

t

D

  =

0.04

0.12

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

0

20

40

60

80

100

POWER(W)

0

20

40

60

80

100

Tmb

Tjpeak

Tj

T

j

mb@x

=

P

1

.

Z

th j

mb

(

t1

)

+

P

2

.

Z

th j

mb

(

t3

)

+

P

3

.

Z

th j

mb

(

t4

)

P

1

.

Z

th j

mb

(

t2

)

P

2

.

Z

th j

mb

(

t4

)

15

562

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thermal Management

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 14  Periodic Composite Waveform

0

20

40

60

80

100

0

20

40

60

80

100

200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

20

40

60

120

140

160

180

200

220

P3

P2

P1

P1

P2

t1

t2

t3

t4

360

380

400

420

440

460

480

500

tx

ty

POWER (W)

Time (uS)

160

140

120

100

80

60

40

20

0

20

40

60

80

100

t5

t6

t7

t8

120

P2

P3

P1

P2

P3

POWER (W)

POWER (W)

Time (uS)

Time (uS)

Substituting these values into equation 15 for T

j-mb@x

gives

Hence the peak values of T

j

are 104.4˚C for the repetitive

case, and 80.9˚C for the single shot case.

Single Shot:

T

j

mb@x

=

40

×

0.13

+

20

×

0.125

+

100

×

0.04

40

×

0.125

20

×

0.04

=

5.9

°

C

T

j

=

T

mb

+ ∆

T

j

mb

=

75

+

5.9

=

80.9

°

C

Repetitive:

T

j

mb@x

=

40

×

0.9

+

20

×

0.85

+

100

×

0.13

40

×

0.85

20

×

0.13

=

29.4

°

C

T

j

=

T

mb

+ ∆

T

j

mb

=

75

+

29.4

=

104.4

°

C

563

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thermal Management

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Calculation for time t

y

where Z

thj-mb(t)

is the transient thermal impedance for a pulse

time t.

t5

t6

t7

t8

380

µ

s 250

µ

s 230

µ

s

10

µ

s

Repetitive

δ

0.950

0.625

0.575

0.025

T=400

µ

s

Z

th

1.950

1.300

1.250

0.080

Single Shot

δ

0.000

0.000

0.000

0.000

T=

Z

th

0.200

0.160

0.150

0.030

Table 1b. Composite pulse parameters for time t

y

Substituting these values into equation 16 for T

j-mb@y

gives

Hence the peak values of T

j

are 96.2˚C for the repetitive

case, and 78˚C for the single shot case.

The average power dissipation and the average junction
temperature can be calculated as follows:

Clearly, the junction temperature at time t

x

should be higher

than that at time t

y

, and this is proven in the above

calculations.

Burst pulses

Power devices are frequently subjected to a burst of pulses.
This type of signal can be treated as a composite waveform
and as in the previous example simulated by superimposing
several rectangular pulses which have a common period,
but both positive and negative amplitudes, in addition to
suitable values of t

p

and

δ

.

Fig. 15  Burst Mode Waveform

Consider the waveform shown in Fig. 15. The period is
240

µ

s, and the burst consists of three rectangular pulses

of 100W power and 20

µ

s duration, separated by 30

µ

s. The

peak junction temperature will occur at the end of each burst
at time t = t

x

 = 140

µ

s. To be able to add the various effects

of the pulses at this time, all the pulses, both positive and
negative, must end at time t

x

. Positive pulses increase the

junction temperature, while negative pulses decrease it.

where Z

thj-mb(t)

is the transient thermal impedance for a pulse

time t.

The Z

th

values are taken from Fig. 9. For each term in the

equation, the equivalent duty cycle must be worked out.
These values can then be used in conjunction with Fig. 9
to find a value for Z

th

. Table 2 gives the values calculated

for this example.

t1

t2

t3

t4

t5

120

µ

s 100

µ

s 70

µ

s

50

µ

s

20

µ

s

Repetitive

δ

0.500 0.420 0.290 0.210 0.083

T=240

µ

s

Z

th

1.100 0.800 0.600 0.430 0.210

Single Shot

δ

0.000 0.000 0.000 0.000 0.000

T=

Z

th

0.100 0.090 0.075 0.060 0.040

Table 2. Burst Mode pulse parameters

Substituting these values into equation 17 gives

T

j

mb@y

=

P

2

.

Z

th j

mb

(

t5

)

+

P

3

.

Z

th j

mb

(

t6

)

+

P

1

.

Z

th j

mb

(

t8

)

P

2

.

Z

th j

mb

(

t6

)

P

3

.

Z

th j

mb

(

t7

)

16

0

50

100

150

350

300

250

200

150

100

50

0

50

100

150

200

250

300

350

0

20

40

60

80

100 120 140 160

240 260 280 300

T=240us

POWER (W)

Time (us)

Time (us)

t4

t2

t1

t3

t5

Repetitive:

T

j

mb@y

=

20

×

1.95

+

100

×

1.3

+

40

×

0.08

20

×

1.3

100

×

1.25

=

21.2

°

C

T

j

=

T

mb

+ ∆

T

j

mb

=

75

+

21.2

=

96.2

°

C

Single Shot:

T

j

mb@y

=

20

×

0.2

+

100

×

0.16

+

40

×

0.03

20

×

0.16

100

×

0.15

=

3

°

C

T

j

=

T

mb

+ ∆

T

j

mb

=

75

+

3

=

78

°

C

T

j

mb@x

=

P

.

Z

th j

mb

(

t1

)

+

P

.

Z

th j

mb

(

t3

)

+

P

.

Z

th j

mb

(

t5

)

P

.

Z

th j

mb

(

t2

)

P

.

Z

th j

mb

(

t4

)

17

P

av

=

25

×

10

+

5

×

130

+

20

×

100

400

=

7.25W

T

j

mb

(

av

)

=

P

av

×

Z

thj

mb

(δ =

1

)

=

7.25

×

2

=

14.5

°

C

T

j

(

av

)

=

T

mb

+ ∆

T

j

mb

(

av

)

=

75

+

14.5

=

89.5

°

C

564

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thermal Management

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Hence the peak value of T

j

is 143˚C for the repetitive case

and 81.5˚C for the single shot case. To calculate the
average junction temperature T

j(av)

:

The above example for the repetitive waveform highlights
a case where the average junction temperature (125˚C) is
well within limits but the composite pulse calculation shows
the peak junction temperature to be significantly higher. For
reasons of improved long term reliability it is usual to
operate devices with a peak junction temperature below
125˚C.

Non-rectangular pulses

So far, the worked examples have only covered rectangular
waveforms.

However,

triangular,

trapeziodal

and

sinusoidal waveforms are also common. In order to apply
the above thermal calculations to non rectangular
waveforms, the waveform is approximated by a series of
rectangles. Each

rectangle

represents part of the

waveform. The equivalent rectangle must be equal in area
to the section of the waveform it represents (ie the same
energy) and also be of the same peak power. With reference
to Fig. 16, a triangular waveform has been approximated
to one rectangle in the first example, and two rectangles in
the second. Obviously, increasing the number of sections
the waveform is split into will improve the accuracy of the
thermal calculations.

In the first example, there is only one rectanglular pulse ,
of duration 50

µ

s, dissipating 50W. So again using equation

14 and a rearrangement of equation 7:

Fig. 16  Non Rectangular Waveform

When the waveform is split into two rectangular pulses:

For this example P

1

= 25W, P

2

= 25W, P

3

= 50W. Table 3

below shows the rest of the parameters:

t1

t2

t3

75

µ

s

50

µ

s 37.5

µ

s

Single Shot

D

0.000

0.000

0.000

T=

Z

th

0.085

0.065

0.055

10% Duty Cycle

D

0.075

0.050

0.037

T=1000

µ

s

Z

th

0.210

0.140

0.120

50% Duty Cycle

D

0.375

0.250

0.188

T=200

µ

s

Z

th

0.700

0.500

0.420

Table 3. Non Rectangular Pulse Calculations

Repetitive:

T

j

mb@x

=

100

×

1.10

+

100

×

0.60

+

100

×

0.21

100

×

0.80

100

×

0.43

=

68

°

C

T

j

=

75

+

68

=

143

°

C

0

20

40

60

80

100

0

10

20

30

40

50

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

10

20

30

0

20

40

60

80

100

0

10

20

30

40

50

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

10

20

30

P3

P2

P1

t3

t2

t1

Single Shot:

T

j

mb@x

=

100

×

0.10

+

100

×

0.075

+

100

×

0.04

100

×

0.09

100

×

0.06

=

6.5

°

C

T

j

=

75

+

6.5

=

81.5

°

C

P

av

=

3

×

100

×

20

240

=

25W

T

j

mb

(

av

)

=

P

av

×

Z

thj

mb

(δ =

1

)

=

25

×

2

=

50

°

C

T

j

(

av

)

=

75

+

50

=

125

°

C

T

j

mb

=

P

tot M

×

Z

thj

mb

Single Shot

T

j

mb

=

50

×

0.065

=

3.25

°

C

T

jpeak

=

75

+

3.25

=

78.5

°

C

10% Duty cycle

T

j

mb

=

50

×

0.230

=

11.5

°

C

T

jpeak

=

75

+

11.5

=

86.5

°

C

50% Duty cycle

T

j

mb

=

50

×

1.000

=

50

°

C

T

jpeak

=

75

+

50

=

125

°

C

T

j

mb

=

P

3

.

Z

th j

mb

(

t3

)

+

P

1

.

Z

th j

mb

(

t1

)

P

2

.

Z

th j

mb

(

t2

)

18

565

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thermal Management

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Sustituting these values into equation 18 gives:

To calculate the average junction temperature:

Conclusion

A method has been presented to allow the calculation of
average and peak junction temperatures for a variety of
pulse types. Several worked examples have shown
calculations for various common waveforms. The method
for non rectangular pulses can be applied to any wave
shape, allowing temperature calculations for waveforms
such as exponential and sinusoidal power pulses. For
pulses such as these, care must be taken to ensure that
the calculation gives the peak junction temperature, as it
may not occur at the end of the pulse. In this instance
several calculations must be performed with different
endpoints to find the maximum junction temperature.

Single shot

T

j

mb

=

50

×

0.055

+

25

×

0.085

25

×

0.065

=

3.25

°

C

T

jpeak

=

75

+

3.25

=

78.5

°

C

10% Duty cycle

T

j

mb

=

50

×

0.12

+

25

×

0.21

25

×

0.14

=

7.75

°

C

T

jpeak

=

75

+

7.75

=

82.5

°

C

50% Duty cycle

T

j

mb

=

50

×

0.42

+

25

×

0.7

25

×

0.5

=

26

°

C

T

jpeak

=

75

+

26

=

101

°

C

50% Duty Cycle

P

av

=

50

×

50

200

=

12.5W

T

j

mb

(

av

)

=

P

av

×

Z

thj

mb

(δ =

1

)

=

12.5

×

2

=

25

°

C

T

j

(

av

)

=

75

+

25

=

100

°

C

10% Duty Cycle

P

av

=

50

×

50

1000

=

2.5W

T

j

mb

(

av

)

=

P

av

×

Z

thj

mb

(δ =

1

)

=

2.5

×

2

=

5

°

C

T

j

(

av

)

=

75

+

5

=

80

°

C

566

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thermal Management

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

7.1.2  Heat Dissipation

All semiconductor failure mechanisms are temperature
dependent and so the lower the junction temperature, the
higher the reliability of the circuit. Thus our data specifies
a maximum junction temperature which should not be
exceeded under the worst probable conditions. However,
derating the operating temperature from T

jmax

is always

desirable to improve the reliability still further. The junction
temperature depends on both the power dissipated in the
device and the thermal resistances (or impedances)
associated with the device. Thus careful consideration of
these thermal resistances (or impedances) allows the user
to calculate the maximum power dissipation that will keep
the junction temperature below a chosen value.

The formulae and diagrams given in this section can only
be considered as a guide for determining the nature of a
heatsink. This is because the thermal resistance of a
heatsink depends on numerous parameters which cannot
be predetermined. They include the position of the
transistor on the heatsink, the extent to which air can flow
unhindered, the ratio of the lengths of the sides of the
heatsink, the screening effect of nearby components, and
heating from these components. It is always advisable to
check important temperatures in the finished equipment
under the worst probable operating conditions. The more
complex the heat dissipation conditions, the more important
it becomes to carry out such checks.

Heat flow path

The heat generated in a semiconductor chip flows by
various paths to the surroundings. Small signal devices do
not usually require heatsinking; the heat flows from the
junction to the mounting base which is in close contact with
the case. Heat is then lost by the case to the surroundings
by convection and radiation (Fig. 1a). Power transistors,
however, are usually mounted on heatsinks because of the
higher power dissipation they experience. Heat flows from
the transistor case to the heatsink by way of contact
pressure, and the heatsink loses heat to the surroundings
by convection and radiation, or by conduction to cooling
water (Fig. 1b). Generally air cooling is used so that the
ambient referred to in Fig.1 is usually the surrounding air.
Note that if this is the air inside an equipment case, the
additional thermal resistance between the inside and
outside of the equipment case should be taken into account.

Contact thermal resistance R

th mb-h

The thermal resistance between the transistor mounting
base and the heatsink depends on the quality and size of
the contact areas, the type of any intermediate plates used,
and the contact pressure. Care should be taken when
drilling holes in heatsinks to avoid burring and distorting the

metal, and both mating surfaces should be clean. Paint
finishes of normal thickness, up to 50 um (as a protection
against electrolytic voltage corrosion), barely affect the
thermal resistance. Transistor case and heatsink surfaces
can never be perfectly flat, and so contact will take place
on several points only, with a small air-gap over the rest of
the area. The use of a soft substance to fill this gap lowers
the contact thermal resistance. Normally, the gap is filled
with a heatsinking compound which remains fairly viscous
at normal transistor operating temperatures and has a high
thermal conductivity. The use of such a compound also
prevents moisture from penetrating between the contact
surfaces. Proprietary heatsinking compounds are available
which consist of a silicone grease loaded with some
electrically insulating good thermally conducting powder
such as alumina. The contact thermal resistance R

th mb-h

is

usually small with respect to (R

th j-mb

+ R

th h-amb

) when cooling

is by natural convection. However, the heatsink thermal
resistance R

th h-amb

can be very small when either forced

ventilation or water cooling are used, and thus a close
thermal contact between the transistor case and heatsink
becomes particularly important.

Fig. 1  Thermal resistances in the heat flow process:

(a) Without a heatsink

(b) With a heatsink

Thermal resistance calculations

Fig. 1a shows that, when a heatsink is not used, the total
thermal resistance between junction and ambient is given
by:

However, power transistors are generally mounted on a
heatsink since R

th j-amb

is not usually small enough to

maintain temperatures within the chip below desired levels.

Fig. 1b shows that, when a heatsink is used, the total
thermal resistance is given by:

R

th j

amb

=

R

th j

mb

+

R

thmb

amb

1

R

th j

amb

=

R

th j

mb

+

R

thmb

h

+

R

thh

amb

2

567

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thermal Management

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Note that the direct heat loss from the transistor case to the
surroundings through R

th mb-amb

is negligibly small.

The first stage in determining the size and nature of the
required heatsink is to calculate the maximum heatsink
thermal resistance R

th h-amb

that will maintain the junction

temperature below the desired value

Continuous operation

Under dc conditions, the maximum heatsink thermal
resistance can be calculated directly from the maximum
desired junction temperature.

Combining equations 2 and 3 gives:

and substituting Eq 4 into Eq 5 gives:

The values of R

th j-mb

and R

th mb-h

are given in the published

data. Thus, either Eq. 5 or Eq.6 can be used to find the
maximum heatsink thermal resistance.

Intermittent operation

The thermal equivalent circuits of Fig. 1 are inappropriate
for intermittent operation, and the thermal impedance Z

th j-mb

should be considered.

The

mounting-base

temperature

has

always

been

assumed to remain constant under intermittent operation.
This assumption is known to be valid in practice provided
that the pulse time is less than about one second. The
mounting-base temperature does not change significantly
under these conditions as indicated in Fig. 2. This is
because heatsinks have a high thermal capacity and thus
a high thermal time-constant.

Thus Eq.6 is valid for intermittent operation, provided that
the pulse time is less than one second. The value of Tmb
can be calculated from Eq. 7, and the heatsink thermal
resistance can be obtained from Eq.6.

Fig. 2  Variation of junction and mounting base

temperature when the pulse time is small compared

with the thermal time constant of the heatsink

The thermal time constant of a transistor is defined as that
time at which the junction temperature has reached 70%
of its final value after being subjected to a constant power
dissipation at a constant mounting base temperature.

Now, if the pulse duration tp exceeds one second, the
transistor is temporarily in thermal equilibrium since such
a pulse duration is significantly greater than the thermal
time-constant of most transistors. Consequently, for pulse
times of more than one second, the temperature difference
T

j

- T

mb

reaches a stationary final value (Fig. 3) and Eq.7

should be replaced by:

In addition, it is no longer valid to assume that the mounting
base temperature is constant since the pulse time is also
no longer small with respect to the thermal time constant
of the heatsink.

Fig. 3  Variation of junction and mounting base

temperature when the pulse time is not small compared

with the thermal time constant of the heatsink

R

th j

amb

=

T

j

T

amb

P

tot

(

av

)

3

and

R

th j

mb

=

T

j

T

mb

P

tot

(

av

)

4

R

thh

amb

=

T

j

T

amb

P

tot

(

av

)

R

th j

mb

R

thmb

h

5

R

thh

amb

=

T

mb

T

amb

P

tot

(

av

)

R

thmb

h

6

T

mb

=

T

j

P

totM

.

R

th j

mb

8

P

totM

=

T

j

T

mb

Z

th j

mb

thus:

T

mb

=

T

j

P

totM

.

Z

th j

mb

7

568

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thermal Management

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Smaller heatsinks for intermittent
operation

In many instances, the thermal capacity of a heatsink can
be utilised to design a smaller heatsink for intermittent
operation than would be necessary for the same level of
continuous

power

dissipation.

The

average

power

dissipation in Eq. 6 is replaced by the peak power
dissipation to obtain the value of the thermal impedance
between the heatsink and the surroundings

The value of Z

th h-amb

will be less than the comparable

thermal resistance and thus a smaller heatsink can be
designed than that obtained using the too large value
calculated from Eq.6.

Heatsinks

Three varieties of heatsink are in common use: flat plates
(including chassis), diecast finned heatsinks, and extruded
finned heatsinks. The material normally used for heatsink
construction is aluminium although copper may be used
with advantage for flat-sheet heatsinks. Small finned clips
are sometimes used to improve the dissipation of low-power
transistors.

Heatsink finish

Heatsink thermal resistance is a function of surface finish.
A painted surface will have a greater emissivity than a bright
unpainted one. The effect is most marked with flat plate
heatsinks, where about one third of the heat is dissipated
by radiation. The colour of the paint used is relatively
unimportant, and the thermal resistance of a flat plate
heatsink painted gloss white will be only about 3% higher
than that of the same heatsink painted matt black. With
finned heatsinks, painting is less effective since heat
radiated from most fins will fall on adjacent fins but it is still
worthwhile. Both anodising and etching will decrease the
thermal resistivity. Metallic type paints, such as aluminium
paint, have the lowest emissivities, although they are
approximately ten times better than a bright aluminium
metal finish.

Flat-plate heatsinks

The simplest type of heatsink is a flat metal plate to which
the transistor is attached. Such heatsinks are used both in
the form of separate plates and as the equipment chassis
itself. The thermal resistance obtained depends on the
thickness, area and orientation of the plate, as well as on
the finish and power dissipated. A plate mounted
horizontally will have about twice the thermal resistance of
a vertically mounted plate. This is particularly important
where the equipment chassis itself is used as the heatsink.

In Fig. 4, the thermal resistance of a blackened heatsink is
plotted against surface area (one side) with power
dissipation as a parameter. The graph is accurate to within
25% for nearly square plates, where the ratio of the lengths
of the sides is less than 1.25:1.

Finned heatsinks

Finned heatsinks may be made by stacking flat plates,
although it is usually more economical to use ready made
diecast or extruded heatsinks. Since most commercially
available finned heatsinks are of reasonably optimum
design, it is possible to compare them on the basis of the
overall volume which they occupy. This comparison is made
in Fig. 5 for heatsinks with their fins mounted vertically;
again, the graph is accurate to 25%.

Fig. 4  Generalised heatsink characteristics: flat vertical

black aluminium plates, 3mm thick, approximately

square

Fig. 5  Generalised heatsink characteristic: blackened

aluminium finned heatsinks

Z

thh

amb

=

T

mb

T

amb

P

totM

R

thmb

h

9

569

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thermal Management

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 6  Heatsink nomogram

1

10

100

10

10

10

3

4

5

10

100

1000

Bright Horizontal

Bright Vertical

Blackened Horizontal

Blackened Vertical

1W
2W
5W
10W
20W
50W
100W

1mm

2mm

3mm

30D

40D

EXTRUDED

FLAT PLATE

SOT93
TO220
SOT82

Length of Extruded Heatsink (mm)

Area

of

one

side

mm

2

Heatsink dimensions

The maximum thermal resistance through which sufficient
power can be dissipated without damaging the transistor
can be calculated as discussed previously. This section
explains how to arrive at a type and size of heatsink that
gives a sufficiently low thermal resistance.

Natural air cooling

The required size of aluminium heatsinks - whether flat or
extruded (finned) can be derived from the nomogram in
Fig. 6. Like all heatsink diagrams, the nomogram does not
give exact values for R

th h-amb

as a function of the dimensions

since the practical conditions always deviate to some extent
from those under which the nomogram was drawn up. The
actual values for the heatsink thermal resistance may differ
by up to 10% from the nomogram values. Consequently, it
is advisable to take temperature measurements in the
finished

equipment,

particularly

where

the

thermal

conditions are critical.

The conditions to which the nomogram applies are as
follows:

• natural air cooling (unimpeded natural convection with no

build up of heat);

• ambient temperature about 25˚C, measured about 50mm

below the lower edge of the heatsink (see Fig. 7);

• atmospheric pressure about 10 N/m

2

;

• single mounting (that is, not affected by nearby heatsinks);

• distance between the bottom of the heatsink and the base

of a draught-free space about 100mm (see Fig. 7);

• transistor mounted roughly in the centre of the heatsink

(this is not so important for finned heatsinks because of
the good thermal conduction).

The appropriately-sized heatsink is found as follows.

1. Enter the nomogram from the right hand side of section

1 at the appropriate R

th h-amb

value (see Fig. 8). Move

horizontally to the left, until the appropriate curve for
orientation and surface finish is reached.

2. Move vertically upwards to intersect the appropriate

power dissipation curve in section 2.

570

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thermal Management

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

3. Move horizontally to the left into section 3 for the desired

thickness of a flat-plate heatsink, or the type of extrusion.

4. If an extruded heatsink is required, move vertically

upwards to obtain its length (Figs. 9a and 9b give the
outlines of the extrusions).

5. If a flat-plate heatsink is to be used, move vertically

downwards to intersect the appropriate curve for
envelope type in section 4.

6. Move horizontally to the left to obtain heatsink area.

7. The heatsink dimensions should not exceed the ratio of

1.25:1.

Fig. 7  Conditions applicable to nomogram in Fig. 6

Fig. 8  Use of the heatsink nomogram

Fig. 9a  Outline of Extrusion 30D

Fig. 9b  Outline of Extrusion 40D

The curves in section 2 take account of the non linear nature
of the relationship between the temperature drop across
the heatsink and the power dissipation loss. Thus, at a
constant value of the heatsink thermal resistance, the
greater the power dissipation, the smaller is the required
size of heatsink. This is illustrated by the following example.

Example

An extruded heatsink mounted vertically and with a painted
surface is required to have a maximum thermal resistance
of R

th h-amb

= 2.6 ˚C/W at the following powers:

Enter the nomogram at the appropriate value of the thermal
resistance in section 1, and via either the 50W or 5W line
in section 2, the appropriate lengths of the extruded
heatsink 30D are found to be:

Case (b) requires a shorter length since the temperature
difference is ten times greater than in case (a).

As the ambient temperature increases beyond 25˚C, so
does the temperature of the heatsink and thus the thermal
resistance (at constant power) decreases owing to the
increasing role of radiation in the heat removal process.
Consequently, a heatsink with dimensions derived from
Fig. 6 at T

amb

 > 25˚C will be more than adequate. If the

maximum ambient temperature is less than 25˚C, then the
thermal resistance will increase slightly. However, any

Approx

100mm

Approx

50mm

Tamb

Tamb

Th

(a)P

tot

(

av

)

=

5W

(b)P

tot

(

av

)

=

50W

(a) length = 110mm and (b) length = 44mm.

571

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thermal Management

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

increase will lie within the limits of accuracy of the
nomogram and within the limits set by other uncertainties
associated with heatsink calculations.

For heatsinks with relatively small areas, a considerable
part of the heat is dissipated from the transistor case. This
is why the curves in section 4 tend to flatten out with
decreasing heatsink area. The area of extruded heatsinks
is always large with respect to the surface of the transistor
case, even when the length is small.

Fig. 10  Arrangement of two equally loaded transistors

mounted on a common heatsink

If several transistors are mounted on a common heatsink,
each transistor should be associated with a particular
section of the heatsink (either an area or length according
to type) whose maximum thermal resistance is calculated
from equations 5 or 6; that is, without taking the heat
produced by nearby transistors into account. From the sum

of these areas or lengths, the size of the common heatsink
can then be obtained. If a flat heatsink is used, the
transistors are best arranged as shown in Fig. 10. The
maximum mounting base temperatures of transistors in
such a grouping should always be checked once the
equipment has been constructed.

Forced air cooling

If the thermal resistance needs to be much less than 1˚C/W,
or the heatsink not too large, forced air cooling by means
of fans can be provided. Apart from the size of the heatsink,
the thermal resistance now only depends on the speed of
the cooling air. Provided that the cooling air flows parallel
to the fins and with sufficient speed (>0.5m/s), the thermal
resistance hardly depends on the power dissipation and the
orientation of the heatsink. Note that turbulence in the air
current can result in practical values deviating from
theoretical values.

Fig. 11 shows the form in which the thermal resistances for
forced air cooling are given in the case of extruded
heatsinks. It also shows the reduction in thermal resistance
or length of heatsink which may be obtained with forced air
cooling.

The effect of forced air cooling in the case of flat heatsinks
is seen from Fig. 12. Here, too, the dissipated power and
the orientation of the heatsink have only a slight effect on
the thermal resistance, provided that the air flow is
sufficiently fast.

Fig. 11  Thermal Resistance of a finned heatsink (type 40D) as a function of the length with natural and forced air

cooling

0

50

100

150

200

250

300

350

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Length (mm)

Rth h-amb (K/W)

P=3W

P=10W

P=30W

P=100W

1m/s
2m/s
5m/s

Natural

Convection

Forced

Cooling

(Vertical)

Blackened

572

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Thermal Management

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 12  Thermal Resistances of heatsinks (2mm thick copper or 3mm thick aluminium) under natural convection and

forced cooling conditions, with a SOT93 envelope.

(a) blackened

(b) bright

Summary

The majority of power transistors require heatsinking, and
once the maximum thermal resistance that will maintain the
device’s junction temperature below its rating has been
calculated, a heatsink of appropriate type and size can be
chosen. The practical conditions under which a transistor
will be operated are likely to differ from the theoretical

considerations used to determine the required heatsink,
and thus temperatures should always be checked in the
finished equipment. Finally, some applications require a
small heatsink, or one with a very low thermal resistance,
in which case forced air cooling by means of fans should
be provided.

573

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Lighting

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

CHAPTER 8

Lighting

8.1  Fluorescent Lamp Control

575

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Lighting

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fluorescent Lamp Control

577

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Lighting

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

8.1.1  Efficient Fluorescent Lighting using Electronic Ballasts

This section provides a general background to fluorescent
lamps and their control requirements, with emphasis placed
on high frequency electronic ballasts and their advantages
over conventional 50/60Hz "magnetic" ballasts. Simplified
examples of popular electronic ballast topologies suitable
for low cost / economy applications are introduced.

The fluorescent lamp.

A fluorescent tube is a low pressure mercury vapour
discharge lamp containing an inert gas consisting of argon
or krypton at low pressure (below 1 atmosphere) plus a
small measured dose of mercury. There is a filament at
each end which, when hot, emit electrons to sustain the
discharge when the lamp is operating. The mercury vapour
discharge produces ultraviolet light which is converted to
visible light by the phosphors coating the inside of the glass
tube. The glass blocks the exit of the ultraviolet radiation
but allows the visible radiation through. See Fig. 1.

Fluorescent tubes exist in many shapes and sizes. Apart
from the many compact types that have appeared on the
market in recent years as energy efficient replacements for
incandescent lamps, the traditional linear tubes range from
150mm 4W up to the very high output 2400mm 215W.

Modern

fluorescent

tubes

incorporating

the

latest

triphosphor technology (i.e. red, green and blue phosphors
similar to those used in modern high brightness television
picture tubes) possess efficacies of around 80 lumens per
lamp Watt compared with 68 lumens per lamp Watt for the
older most efficient "white" fluorescent tubes and around
12 lumens per Watt for an incandescent bulb. Moreover,
the triphosphor lamps reveal colour and skin tones more
accurately than the standard "white" lamps, which suffer
from a deficiency in output at the red end of the spectrum.
This results in a greenish hue and a suppression of red
colours from anything illuminated by them.

The elimination of the traditional causes of criticism for
fluorescent lighting means that this form of lighting is
becoming more acceptable in wider applications than ever
before. Adjustment of the ratios of the three phosphors can
create colour appearances from a very warm, intimate,
incandescent equivalent colour temperature of 2700K
through the cool, clean, businesslike 4000K to the very cool
daylight colour temperature of 6500K, all with high
efficacies and good colour rendering properties. Before the
availability of triphosphors, these qualities have always
been mutually exclusive. You could either have high
efficacy and poor colour rendering or poor efficacy and good
colour rendering, but not both.

Fig. 1.  A fluorescent tube.

A non-operating fluorescent tube will appear as an open
circuit, since there is no electrical connection from one end
to the other. In order to "strike the arc", a high voltage must
be applied across the lamp in order to ionise the gas within.
This will instantly "cold start" the lamp and shorten its life
by sputtering electron-emitting material from its cathodes.

However, if the cathodes (heaters) are first preheated to
generate a space charge of electrons at each end of the
lamp, the strike voltage is considerably reduced and lamp
life will not be unduly compromised by the start-up.

As soon as arc current flows, the lamp’s electrical
impedance will drop. It now exhibits a negative impedance
characteristic, where an increase in current is accompanied
by a reduction in lamp voltage. There must therefore be a
current limiting device in circuit to prevent the rapid onset
of runaway and destruction of the lamp.

The lamp running current should ideally be sinusoidal to
minimise the radiation of electromagnetic interference from
the lamp and its supply wires. Sinusoidal lamp current also
maximises lamp life. A peak current approaching twice the
RMS current will prematurely deplete the electron emitting
material from the lamp cathodes. (For a sinewave the peak
value is only 1.414 times the RMS value.)

There should also be no D.C. component to the lamp
current; that is, the positive and negative half cycles should
be of equal duration. If this is not the case, the resulting
partial rectification will result in premature depletion of the
electron emitter from one of the lamp cathodes.

The ballast.

The requirements of a fluorescent lamp ballast are to:
(a) Preheat the cathodes to induce electron emission.
(b) Provide the starting voltage to initiate the discharge.
(c) Limit the running current to the correct value.

There are several types of mains frequency "magnetic"
ballast available. By far the most common circuit for 230V
mains supplies has traditionally been the switchstart ballast
(see Fig. 2), where lamp ballasting is provided by the choke.
Other circuits include,

in order

of

popularity, the

semi-resonant circuit and the quickstart circuit.

CATHODE

LOW PRESSURE ARGON

OR KRYPTON FILLING

SMALL DOSE OF MERCURY

PHOSPHOR COATING

579

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Lighting

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The switchstart circuit has been widely adopted because
of its simplicity, low cost and improved efficiency when
compared with the alternative options mentioned above.
Another reason is that the 230V mains voltage is sufficiently
higher than the tube running voltage to allow the use of the
simple series impedance ballast in almost all cases. Where
this is not possible, for example in most 120V supplied
circuits, the lamp is controlled by a quickstart circuit
incorporating voltage step-up.

Fig. 2.  Conventional switchstart "magnetic" ballast

circuit.

Switchstart ballast operation.

When the voltage is applied to the circuit, the lamp does
not operate at first, so the full mains voltage appears across
the starter via the choke and lamp cathodes.

The starter consists of bi metallic contacts sealed within a
small discharge bulb with an inert gas filling such as argon
or neon. The mains voltage causes a glow discharge within
the starter which heats up the bi metallic contacts, causing
them to close. This completes the circuit and allows preheat
current to flow through the choke and both cathodes.

Since the glow discharge within the starter has now ceased,
the bi metallic contacts cool down and open. Because the
inductance of the choke tries to maintain current flow, the
voltage across the lamp rises rapidly and strikes the lamp.
If it does not, the starter’s contacts close again and the cycle
repeats.

Once the lamp has started, the choke controls its current
and voltage to the correct levels. The lamp running current
is enough to keep the cathodes (heaters) hot and emitting
electrons without the need for separate heater supplies,
which would otherwise be wasteful of energy. Since the
lamp’s running voltage is much lower than the mains
voltage, there is now not enough voltage to cause a glow
discharge in the starter, so it remains open circuit.

The power factor correction (PFC) capacitor draws leading
current from the mains to compensate for the lagging
current drawn by the lamp circuit.

Why electronic ballasts?

Electronic ballasts have been available for well over a
decade. Recent leaps in performance, coupled with ever
increasing energy costs, the increased awareness of the
advantages they offer, the increasing environmental
awareness

of

the

consumer,

and

the

increased

acceptability of the new fluorescent light sources in existing
and new applications, have seen an upsurge in electronic
ballast use since the beginning of the 1990’s.

Replacing the most efficient low loss mains frequency
switchstart ballast with an electronic ballast leads to
reduced energy consumption and improved performance.
The reasons for this are detailed below.

Increased light output.

If the operating frequency is increased from 50Hz to above
the audible limit of 20kHz, fluorescent lamps can produce
around 10% more light for the same input power (see
Fig. 3). Alternatively, the input power can be reduced for
the same light output.

Fig. 3.  Typical fluorescent lamp efficacy.

Flicker eliminated.

A fluorescent lamp operating at 50/60Hz will extinguish
twice every cycle as the mains sinewave passes through
zero. This produces 100/120Hz flicker which is noticeable
or irritating to some people. It will also produce the
well-known and potentially dangerous stroboscopic effects
on rotating machinery.

If the lamp is operated at high frequency, however, it
produces continuous light. This is because the time
constant and hence the response time of the discharge is
too slow for the lamp to have a chance to extinguish during
each cycle.

PFC

CHOKE

STARTER

L

N

230V

50Hz

50

500

5k

50k

500k

100

102

104

106

108

110

Frequency (Hz)

Lamp efficacy (%)

580

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Lighting

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The output waveform of an electronic ballast will usually be
slightly modulated by 100/120Hz "ripple". Provided this is
kept to a reasonable level by filtering within the ballast, the
drawbacks

associated

with

100/120Hz

flicker

are

eliminated.

Audible noise eliminated.

Since electronic ballasts operate above the audible range,
they do not suffer from the audible noise problems that can
occur with mains frequency magnetic ballasts. The familiar
buzzing noise is caused by vibrations in the laminations
and coil of the choke. This can then excite vibrations in the
steel body of the fitting which effectively amplifies the
original noise.

Lower ballast power.

An electronic ballast will consume less power and therefore
dissipate less heat than a mains frequency magnetic
ballast. For example, for two 1500mm 58W energy-saving
lamps, the typical ballast power dissipations might be 13W
per ballast for two 50Hz magnetic ballasts compared with
9W for a single electronic ballast driving two lamps.

The energy-saving benefits of electronic ballasts have
made it possible to obtain the same light output from
fluorescent lamps as would

be obtained using a

conventional 50/60Hz magnetic ballast, for a total circuit
power (i.e. lamp and ballast) that is actually less than the
rated lamp power alone. This is due to two reasons.

Firstly, the lamp can be underrun at high frequency for the
same light output. Secondly, the power consumed by the
ballast can be so low that the total circuit power is still less
than the rated power printed on the lamp. Because of this,
energy cost reductions of 20 - 25% are achievable.

Extended lamp life.

An electronic ballast which "soft starts" the lamp (i.e.
provides preheat to the cathodes before applying a
controlled starting pulse) will dislodge a minimum quantity
of material from the cathodes during starting. This will give
longer lamp life when compared to the uncontrolled
impulses to which the lamp is subjected in a switchstart
circuit.

Versatile lamp control.

Electronic ballasts are available which permit lamp
dimming. This gives substantial energy savings in
situations where the lights are linked to an automatic control
system which detects ambient light levels and adjusts lamp

output to maintain a constant level of illumination. Lights
may also be programmed to dim during intervals when
areas are not in use, for example during lunch breaks.

Electronic ballasts can incorporate feedback to detect the
operating conditions of the lamp(s) so that failed lamps can
be switched off to avoid annoying flicker and possible
ballast damage. They can also incorporate regulation,
whereby a constant light output is maintained over a range
of input voltages. Operation can be either from AC or DC
supplies for emergency lighting applications.

Compact and light weight.

Owing to the high frequency of operation, the magnetic
components in an electronic ballast are compact and
lightweight with cores of ferrite material, whereas at mains
frequency the ballast choke must be larger and heavier with
bulkier copper windings and a core of laminated steel.

The shape and geometry of a mains frequency choke is
determined by magnetic efficiency requirements, whereas
the circuitry within an electronic ballast can be arranged to
produce a very slim final package. This permits new levels
of slimness and compactness for the final ballast.

Electronic ballast topologies.

The typical building blocks of an electronic ballast are
shown in Fig. 4.

An increasing number of electronic ballasts are employing
active power factor correction in the form of a boost
converter between the rectifier and DC filter stages. (Figure
5 shows a simplified boost converter arrangement.) This
obliges the ballast to draw current over most of each mains
half cycle instead of the usual current spike that a rectifier
/ DC filter would demand at each peak of the voltage
waveform. This reduces the harmonic content of the current
and improves the power factor. It will also reduce the size
of the electromagnetic interference (EMI) filter required,
since filtering is now required at the higher harmonic
frequencies of the boost converter switching frequency
instead of at the mains frequency and harmonics of it.

Electronic ballasts take many forms. The simplest and most
economical

form

might

consist

of

a

free-running

self-oscillating circuit using bipolar transistors. This would
be an open loop circuit (i.e. no feedback to detect lamp
operating conditions).

More expensive options might contain a controlled
oscillator in a closed loop circuit using MOSFETs. Here,
features could include regulation for varying AC and DC
supply voltages, adjustable lamp brightness, soft starting
and a mechanism to detect and shut down failed lamps.

581

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Lighting

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 4.  Electronic ballast block diagram.

EMI

FILTER

RECTIFIER

BOOST

PFC

DC

FILTER

DC - AC

INVERTER

BALLAST

TO LAMP

SUPPLY

OPTIONAL

POWER FACTOR

CORRECTION

CIRCUIT

OPTIONAL

OPTIONAL FEEDBACK

DIMMING

CONTROL

Fig. 5.  A boost converter for active power factor

correction.

Blocking oscillator.

The most basic form of electronic ballast uses a blocking
oscillator as shown in Fig. 6. Its use is restricted mainly to
low voltage DC, low power ballasts as used in handlamps,
leisure lighting and emergency lighting, where operation is
only for short periods. This is because the lamp has a
severely limited life when it is driven by a spiky waveform,
rich in harmonics, such as that produced by this circuit. This
topology might typically be used to operate tubes of 4W to
13W ratings only because of the excessive voltage and
current stresses and switching losses that would be
experienced by the transistor in higher power mains voltage
versions.

Voltage step-up to drive the lamp from the low voltage
supply is achieved by the turns ratio of the transformer
primary and secondary, while oscillation is maintained by
the positive feedback supplied by the auxiliary winding
connected to the transistor’s base. The values of R, C,
transformer primary inductance L

PRI

and the transistor

parameters set the oscillation frequency and the mark /
space ratio of the waveform (which should be 1:1 for the
reason given in the first section).

No separate ballast inductor is required, since the only
energy delivered to the lamp during the transistor’s OFF
time is what was stored in L

PRI

during the preceding ON

time. The transistor remains OFF and will not turn ON again
until all the stored energy has been delivered to the load.
Lamp power is therefore controlled by the amount of energy
stored in the L

PRI

during each ON period.

Fig. 6.  Basic low voltage ballast using a blocking

oscillator.

Unlike the blocking oscillator, mains powered electronic
ballasts usually use two switching power transistors in a
push pull or half bridge configuration. This can either be a
self oscillating or a driven oscillator circuit. The driven
oscillator option permits easier lamp control and dimming.
The self oscillating option has cost advantages where the
benefits of high frequency lighting are required without the
necessity for lamp dimming.

CONTROL

INDUCTOR

FROM

EMI

FILTER

TO

DC - AC

INVERTER

RECTIFIER

BOOST CONVERTER

DC FILTER

FAST

DIODE

+

-

SUPPLY

R

C

12V DC

582

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Lighting

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

The push pull inverter.

A push pull circuit can appear as a voltage fed inverter with
series resonant load or a current fed inverter with parallel
resonant load. In both cases a centre tapped transformer
is required.

Voltage fed push pull inverter.

Figure 7 shows a simplified circuit. This example provides
isolation of the output from the mains supply with a separate
secondary winding.

In the voltage fed arrangement, the D.C. rail voltage is fed
straight to the centre tap. Both ends of the winding are
connected to zero volts via transistors, which are alternately
switched on during operation. The alternate passage of
current in opposite directions through each half of the
primary winding induces a square wave voltage across the
secondary.

Since the full D.C. rail voltage appears across half the
primary winding at a time, twice this voltage will appear
across the whole primary winding. This means that during
each transistor’s "off" period, it will experience a maximum
theoretical V

CE

of 2 x D.C. rail voltage.

Fig. 7.  Voltage fed push pull ballast with isolated

output.

When power is first applied, the secondary voltage should
not be high enough to cold start the lamp, which should
remain in the high impedance state. The only current
flowing will be through the series resonant combination of
L & C, and both lamp cathodes. This preheat current will
be enough to initiate electron emission from the cathodes
which will in turn lower the lamp striking voltage to a point
where the voltage across the capacitor can then start the
lamp (usually within a second).

After starting, the lamp voltage will drop and the current will
be limited and filtered by L. C will help to filter out residual
harmonic frequencies and its current will fall to negligible
proportions at the fundamental operating frequency. The
resulting lamp current will closely resemble a sinewave.

The transistor base drives are derived from auxiliary
windings on the transformer which provide the necessary
positive

feedback.

An

advantage

with

this

transformer-based arrangement is the isolation it provides
between the lamp and the mains supply.

Current fed parallel resonant push pull
inverter.

The main difference with this circuit over the previous one
is that the D.C. rail voltage is fed to the transformer centre
tap via an inductor which acts as a current source. A
capacitor C across the transformer primary forms a parallel
resonant load in combination with the primary winding
inductance (see Fig. 8). Instead of a square wave as in the
voltage fed circuit, a full wave rectified sinewave appears
at the centre tap whose theoretical peak amplitude is

π

/2 x

V

DC

. Twice this amplitude appears across the whole winding

for the same reason as in the voltage fed push pull circuit.
Therefore the maximum theoretical V

CE

=

π

x V

DC

.

Fig. 8.  Current fed parallel resonant push pull ballast

with isolated output.

Since each successive half sine produces current flow in
opposite directions through the two half windings, a
sinewave is produced across the whole winding whose
peak to peak amplitude is 2

π

x V

DC

.

The additional cost of the inductor might be regarded as a
disadvantage. However, the beauty of current fed parallel
resonant circuits, of which this is one example, is that they
naturally produce a sinusoidal output, so selection of the
ballast components for their harmonic filtering properties is
no longer so important. This allows the use of a series
ballast capacitor instead of the series L normally required.

Another benefit with this type of circuit is its ability to
continue normal operation with varying or open circuit
loads.

This

permits

independent

operation

of

parallel-connected lamps across the secondary, each with
its own ballast capacitor, where failure of one or more lamps

DRIVE

CIRCUIT

DRIVE

CIRCUIT

+

-

L

T1

T1

T1

C

ADDITIONAL

LAMPS

TO

Vdc

DRIVE

CIRCUIT

DRIVE

CIRCUIT

+

-

L

C

T1

T1

T1

Vdc

583

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Lighting

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

will not affect the operation of the remaining lamps. This is
unlike series-connected lamps, where the failure of one
tube will disable all the tubes on that ballast.

Sinusoidal output topologies are very popular in the self
oscillating low cost ballast market because of these
advantages and the circuit simplicity.

The half bridge inverter.

The half bridge topology contains two npn transistors
connected in series across the D.C. rail with the load
connected to their mid point. The half bridge is so called
because the return path for the load current is provided by
two series-connected capacitors across the D.C. rail. (A full
bridge circuit would have transistors in these positions also,
but this arrangement is rarely used in electronic ballasts for
fluorescent lamps. Although the required voltage rating of
the transistors would be halved, this would not compensate
for the increased cost of four power transistors instead of
two, and the extra complication of controlling the timing of
the switching of all four transistors.)

The two capacitors, which have a very low reactance and
are essentially a short circuit at the ballast operating
frequency, create a mid-point A.C. reference between the
D.C. rails. This blocks the D.C. offset equal to half the rail
voltage that would be applied to the lamp if the return path
were merely taken to one of the rails.

Current fed parallel resonant half bridge
inverter.

Figure 9 shows the simplified circuit. Transformer isolation
is provided, and the sinusoidal output permits the use of
ballast capacitors as for the current fed push pull topology.
The series inductance L in each power supply line acts as
the current source.

Fig. 9.  Current fed parallel resonant half bridge ballast

with isolated output.

As each transistor conducts in turn, the current fed resonant
load causes alternate polarity half sinewaves with peak
voltages of

π

/2 x V

DC

to appear at one end of the transformer

primary. Each half sine appears across the non-conducting
transistor. Therefore the maximum theoretical V

CE

=

π

/2 x

V

DC

.

The sum of these half sines produces a full sinewave with
a peak to peak amplitude of

π

x V

DC

. However, as the return

current flows to the A.C. half rail created by the half bridge
capacitors, only half this voltage appears across the
primary, resulting in a peak to peak primary voltage of

π

/2

x V

DC

.

Voltage fed half bridge inverter.

See Fig. 10. This circuit does not employ a transformer so
output isolation is not provided. Feedback to drive the
transistors is now supplied from two auxiliary windings on
the current transformer CT1 in the lamp current path.

As this is a voltage fed circuit whose output is not naturally
sinusoidal, lamp starting, ballasting and waveform shaping
are provided by the series L and parallel C as for the voltage
fed push pull circuit.

In the voltage fed half bridge circuit, since the transistors
are "firmly anchored" to the supply rails without any current
source series inductance, they will experience a maximum
theoretical V

CE

equal to the D.C. rail voltage.

Fig. 10.  Voltage fed half bridge ballast.

Variation on the voltage fed half bridge
circuit.

A variation on this circuit is shown in Fig. 11, where the two
half bridge capacitors are replaced by the single D.C.
blocking capacitor C2. This enables the load to be returned
to the positive D.C. rail.

The circuit operates as follows:
On initial power-up, before the lamp has struck, C1, L and
C2 form a series resonant circuit. C2 is larger than C1 so
it looks like a short circuit compared to C1. C1 therefore
dominates and dictates the resonant frequency in

+

-

CT1

CT1

CT1

L

C

Vdc

+

-

T1

T1

C

TO

ADDITIONAL

LAMPS

T1

DRIVE
CIRCUIT

DRIVE
CIRCUIT

L

L

Vdc

584

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Lighting

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

combination with L. A high voltage is developed across C1
at resonance which starts the tube. At this point the tube
voltage across C1 collapses and C2 then takes over in
dictating a lower running frequency in combination with L.

Fig. 11.  Variation on voltage fed series resonant half

bridge circuit.

This circuit is the one most commonly used in the
electronically ballasted compact fluorescent lamps and it
lends itself to driven as well as self oscillating circuits.

Summary.

The circuit examples presented in this Publication all use
bipolar transistors, mainly for cost advantage reasons,

especially where high voltage devices up to 1000V rating
and above are required. Ballast manufacturers have
perfected many good, reliable designs using such devices
in circuits based on the simplified topologies shown.

Popular topologies for low cost electronic ballasts have
proved to be the current fed parallel resonant circuits. To
summarise the reasons for this, they naturally produce the
ideal sinewave output. This permits the use of simple ballast
capacitors instead of inductors. The circuits also maintain
safe operation with abnormal load conditions. Lamps can
be operated in parallel, where the failure of one or more
lamp will not disable the remaining lamps.

The current

fed topologies

require higher

voltage

transistors than the voltage fed topologies. For example,
for the current fed half bridge topology, allowing for safety
margins of around 400V for voltage spikes at start-up and
110% mains voltage, a 120V ballast would require
transistors with typical voltage ratings of at least 700V. The
ratings for 230V mains would typically be at least 950V, and
for 277V mains typical voltage ratings of at least 1100V
would be required.

The ratings for a current fed push pull topology would be
1000V, 1500V and 1700V respectively.

+

-

CT1

CT1

CT1

L

C1

C2

Vdc

585

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image
Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Lighting

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

8.1.2  Electronic Ballasts - Philips Transistor Selection Guide

Section 8.1.1 provides an introduction to fluorescent lamps
and the circuits required to operate them for maximum life
and efficiency. Several

simplified

electronic ballast

topologies are introduced.

This section lists those topologies with the theoretical
voltage demands they place on the transistors, together
with a selection table of suitable Philips transistors.

a) Voltage fed push pull inverter.

The D.C. rail voltage appears at the transformer centre tap.

Therefore V

c.t.

= V

DC

.

Half of the transformer’s primary winding is energised with
the full D.C. rail voltage at any one time. Therefore twice
this voltage will appear across the whole winding
(autotransformer effect). This voltage appears across each
transistor in turn when it is non-conducting. So, during
stable circuit operation and neglecting unforeseen voltage
spikes:

V

CE(max)

 = 2 x V

DC

.

b) Current fed push pull inverter.

The transformer centre tap is no longer connected directly
to the D.C. rail. The voltage developed across the series
inductor L as each transistor conducts results in a positive
half sinewave at the centre tap whose average voltage is
equal to the D.C. rail voltage. A half sine instead of a
rectangular pulse is produced because of the resonant
nature of the load.

Therefore V

c.t.(ave)

= V

DC

.

The peak value of this waveform can be shown by
integration to be

π

/2 x its average value.

Therefore V

c.t.(pk)

=

π

/2 x V

c.t.(ave)

=

π

/2 x V

DC

.

Each successive half sine is conducted through alternate
halves of the primary, so twice this amplitude appears
across the full primary. This gives a peak voltage of twice
the peak centre tap voltage appearing across the
non-conducting transistor (as for the voltage fed push pull
circuit), so:

V

CE(pk)

 = 

π

 x V

DC

.

c) Current fed half bridge inverter.

The transformer primary is driven from one end by the
collector-emitter junction point of the two transistors. If this
were a voltage fed circuit without any series L, the primary
would be alternately connected to the positive and negative
rails by the alternate transistor switching to produce a
square wave with a peak to peak amplitude of V

DC

.

However, because this is a current fed resonant circuit, the
conduction of each transistor will produce a half sine whose
average voltage is equal to the D.C. rail voltage.

Therefore V

(ave)

= V

DC

.

By integrating it can be shown that the half sine will have a
peak amplitude of

π

/2 x its average value.

Therefore V

(pk)

=

π

/2 x V

(ave)

=

π

/2 x V

DC

.

DRIVE

CIRCUIT

DRIVE

CIRCUIT

+

-

L

C

T1

T1

T1

Vdc

+

-

T1

T1

C

TO

ADDITIONAL

LAMPS

T1

DRIVE
CIRCUIT

DRIVE
CIRCUIT

L

L

Vdc

DRIVE

CIRCUIT

DRIVE

CIRCUIT

+

-

L

T1

T1

T1

C

ADDITIONAL

LAMPS

TO

Vdc

587

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Lighting

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

This voltage appears across the non-conducting transistor,
so:

V

CE(pk)

 = 

π

/2 x V

DC

.

d) Voltage fed half bridge inverter.

As the transistors are now connected directly to the D.C.
rails, their alternate switching will switch the transformer
primary between the D.C. rails only.

Therefore V

(max)

= V

DC

.

As this voltage appears across the non-conducting
transistor:

V

CE(max)

 = V

DC

.

Transistor selection guide.

This guide lists suitable transistors with maximum
recommended output powers for the different topologies. It
assumes that the ballast’s D.C. rail is obtained from rectified
and smoothed A.C. mains. If boost power factor correction
is included which boosts the D.C. rail voltage to around
400V irrespective of mains voltage, the suggested
transistors for 277V mains should be selected.

+

-

CT1

CT1

CT1

L

C

Vdc

TOPOLOGY:

a) V. fed P.P.

b) C. fed P.P.

c) C. fed H.B.

d) V. fed H.B.

120V

BUW84/85

35W

BUX87P

13W

BUW84/85

25W

BUW84/85

15W

BUX84/85

35W

BUX85

55W

BUX84/85

25W

BUX84/85

15W

BUT211

90W

BUT11A

140W

BUT211

70W

BUT211

40W

BUT18A

110W

BUT18A

170W

BUT18A

80W

BUT18A

55W

BUT12A

140W

BUT12A

230W

BUT12A

110W

BUT12A

70W

BUW12A

140W

BUW12A

230W

BUW12A

110W

BUW12A

70W

230V

BUX87P

15W

BU1706A

230W

BUX87P

13W

BUW84/85

30W

A.C.

BUW85

70W

BU1706AX

230W

BUW85

55W

BUX84/85

30W

SUPPLY:

BUX85

70W

BU508A

360W

BUX85

55W

BUT211

80W

BUT11A

170W

BUT11A

140W

BUT18A

100W

BUT18A

210W

BUT18A

160W

BUT12A

140W

BUT12A

280W

BUT12A

220W

BUW12A

140W

BUW12A

280W

BUW12A

220W

277V

BU1706A

170W

BU1706A

260W

BU1706A

130W

BUW84/85

40W

& most

BU1706AX

170W

BU1706AX

260W

BU1706AX

130W

BUX84/85

40W

boosted

BU508A

280W

BU508A

220W

BUT211

100W

designs

BUT18A

125W

BUT12A

170W

BUW12A

170W

588

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Lighting

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

8.1.3  An Electronic Ballast - Base Drive Optimisation

This section investigates the transistor base drive circuit in
a current fed half bridge ballast. (Fig. 1 shows the simplified
circuit.) The effect on switching waveforms of progressing
from a simple base drive circuit to the optimised solution
will be shown.

Fig. 1.  Current fed half bridge ballast.

Base drive requirements.

1. Each transistor must not be overdriven and oversaturated
when conducting

otherwise

excessive base

power

dissipation will result. The time will also be increased in
bringing the transistor out of saturation during turn-off,
leading to increased switching losses.

2. The transistor must not be underdriven because this will
result in excessive collector-to-emitter voltage (V

CE

) during

conduction, leading to excessive ON-state losses or
inability to sustain oscillation. However, because the
transistor is unsaturated, there will be less charge to extract
from the base, resulting in a shorter storage time and faster
turn-off.

3. Reliable and correct circuit operation should be
maintained for all expected transistor gains, maximum and
minimum load, maximum and minimum supply voltage and
all component tolerances.

Base drive optimisation.

The transformer’s auxiliary windings which provide base
drive might contain just one or two turns each. In order to
provide rapid transistor turn-off, their peak loaded output

voltage would need to be such that the transistor ’sees’ a
turn-off voltage of around minus 5V. An approximation to
this drive voltage could be arrived at empirically by
increasing the number of auxiliary turns one by one. Any
final voltage adjustment, if necessary, can be achieved by
varying the base drive components.

Simple base drive.

In order to meet the requirements of non-saturation and
rapid turn-off, the simplest base drive might consist of a
resistor to limit the positive base current and a Schottky
diode in parallel with it to discharge the base as quickly as
possible. See Fig. 2.

Fig. 2.  Simple base drive.

A Schottky diode is specified for its fast switching and low
forward voltage drop to best meet the rapid turn-off
requirements. A 1A 40V device such as the BYV10-40 is
ideally suited.

If the resistor is selected empirically so that the transistor
is barely saturating, this simple circuit will work, but only for
a given load current, supply voltage, transistor gain and
base drive voltage from the transformer auxiliary winding.
Altering any of these conditions will either cause
underdriving of the transistor and, ultimately, cessation of
oscillation, or else the transistor will be overdriven, causing
increased collector current fall time and excessive
switching losses.

For example, the resistor value was optimised for
transistors with low gain limits. Fig. 3 shows the resulting
I

C

fall at transistor turn-off, while Fig. 4 shows the effect of

replacing the transistor with a high gain limit sample. The
shaded areas bounded by the I

C

and V

CE

curves represent

transistor power dissipation during switching.

+

-

T1

T1

C

TO

ADDITIONAL

LAMPS

T1

DRIVE
CIRCUIT

DRIVE
CIRCUIT

L

L

Vdc

R

T1

D1

589

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Lighting

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Simple base drive.

Fig. 3.  Low h

FE

. I

C

 fall with V

CE

.

Simple base drive.

Fig. 4.  High h

FE

. I

C

 fall with V

CE

.

Improved circuit.

What is required is a means of providing enough base drive
under worst case conditions of maximum load current,
minimum supply voltage, minimum transistor gain and
minimum base drive voltage, while avoiding excessive
saturation in the opposite condition. This can be achieved
by diverting excess positive base drive current into the
collector path when the transistor is fully turned on. This
requirement is partly met by a Baker Clamp arrangement
as shown in Fig. 5.

When the transistor is fully conducting, V

CE

will be at a

minimum. This will bring V

C

close to V

B

so that any excess

base drive will then flow through anti saturation diode D2
to the collector. As a first approximation, the single resistor
R is divided equally into two and D2 taps its voltage from
the mid point. Figs. 6 and 7 show the resulting I

C

fall

waveforms. Considerably reduced transistor saturation is
evident.

Fig. 5.  Improved base drive.

Improved base drive.

Fig. 6.  Low h

FE

. I

C

 fall with V

CE

.

Improved base drive.

Fig. 7.  High h

FE

. I

C

 fall with V

CE

.

With regard to the base waveforms, where the simple circuit
produces more base drive current than is necessary, as
shown in Fig. 8, the improved circuit reduces this to that
shown in Fig. 9.

Vce (50V/div)

0

0.5 us/div

Ic (0.2 A/div)

T1

D1

D2

R1

R2

c

b

e

Vce (50V/div)

0

0.5 us/div

Ic (0.2 A/div)

Vce (50V/div)

0

0.5 us/div

Ic (0.2 A/div)

Vce (50V/div)

0

0.5 us/div

Ic (0.2 A/div)

590

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Lighting

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Fig. 8.  Simple base drive.

High h

FE

. I

B

.

Fig. 9.  Improved base drive.

High h

FE

. I

B

.

Optimised base drive.

Optimised base drive.

Fig. 10.  High h

FE

. V

CE

, I

C

 and I

B

.

To ensure correct operation under all conditions, base drive
can be optimised by adjusting the ratio of the two resistors
to vary the amount of tap-off voltage. With the base resistor
divided equally into two, this particular circuit suffered from
a lack of base drive at low supply voltage. Too much drive
had been diverted away from the base. This was corrected
by moving the tap-off point to the right to split the resistor
two thirds to one third to reduce the amount of diverted base
drive. Referring to Fig. 5, R1 becomes 2/3 x R and R2
becomes 1/3 x R.

Figs. 11 and 12 show the optimised IC fall waveforms. A
few cycles of the switching waveforms with optimised base
drive are shown in Fig. 10.

Optimised base drive.

Fig. 11.  Low h

FE

. I

C

 fall with V

CE

.

Optimised base drive.

Fig. 12.  High h

FE

. I

C

 fall with V

CE

.

Startup circuit.

The half bridge circuit as described so far cannot start of
its own accord. Both transistors are off and will remain off
when power is applied until one of them is artificially turned
on to draw current through the transformer primary. This
will then induce a voltage in the auxiliary windings which
will provide the necessary base drive to maintain self
oscillation. Startup is usually achieved using a diac such
as the BR100/03. The circuit is shown in Fig. 13.

Ib (0.1 A/div)

0

10 us/div

Ib (0.1 A/div)

0

10 us/div

Vce (50V/div)

0

0.5 us/div

Ic (0.2 A/div)

Vce (100 V/div)

0

10 us/div

Ic (0.2 A/div)

0

10 us/div

Ib (0.1 A/div)

0

10 us/div

Ic (0.2 A/div)

0

0.5 us/div

Vce (50V/div)

591

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Lighting

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

When power is first applied, oscillator start-up is achieved
as follows:

Transistors Q1 and Q2 are initially non conducting. Resistor
R4, whose value will be several hundred kilohms, provides
a high impedance path between Q2’s collector and the
positive rail to ensure that Q2 has the full D.C. rail voltage
across it prior to start-up.

Capacitor C charges up via R1 until the breakover voltage
of the diac D8 is reached. The diac breaks over and dumps
the capacitor’s charge into the base of Q2 to turn it on. Q2
draws current through the transformer primary. From now
on, oscillation is maintained by the voltages induced on the
auxiliary base drive windings.

Diode D1 discharges C every time Q2 turns on, thereby
preventing the diac’s breakover voltage being reached
during normal circuit oscillation. This avoids repeated
triggering of the diac when it is not required, so preventing
oversaturation of Q2. (The length of time for C to charge to
the diac’s breakover voltage is much longer than the time
between ON periods of Q2.)

D4 and D5 provide reverse current protection for Q1 and
Q2.

Fig. 13.  A classic startup arrangement. (Part of current

fed half bridge circuit.)

TO T1

T1

T1

L

L

R1

R4

+

-

D8

R2

R3

R5

R6

D1

D2

D3

D4

D5

D7

D6

C

PRIMARY

Q1

Q2

592

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Index

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Index

Airgap, transformer core, 111, 113
Anti saturation diode, 590
Asynchronous, 497
Automotive

fans

see motor control

IGBT, 481, 483
ignition, 479, 481, 483
lamps, 435, 455
motor control, 425, 457, 459, 471, 475
resistive loads, 442
reverse battery, 452, 473, 479
screen heater, 442
seat heater, 442
solenoids, 469
TOPFET, 473

Avalanche, 61
Avalanche breakdown

thyristor, 490

Avalanche multiplication, 134

Baker clamp, 138, 187, 190
Ballast

electronic, 580
fluorescent lamp, 579
switchstart, 579

Base drive, 136

base inductor, 147
base inductor, diode assisted, 148
base resistor, 146
drive transformer, 145
drive transformer leakage inductance, 149
electronic ballast, 589
forward converter, 187
power converters, 141
speed-up capacitor, 143

Base inductor, 144, 147
Base inductor, diode assisted, 148
Boost converter, 109

continuous mode, 109
discontinuous mode, 109
output ripple, 109

Bootstrap, 303
Breakback voltage

diac, 492

Breakdown voltage, 70
Breakover current

diac, 492

Breakover voltage

diac, 492, 592
thyristor, 490

Bridge circuits

see Motor Control - AC

Brushless motor, 301, 303
Buck-boost converter, 110
Buck converter, 108 - 109
Burst firing, 537
Burst pulses, 564

Capacitance

junction, 29

Capacitor

mains dropper, 544

CENELEC, 537
Charge carriers, 133

triac commutation, 549

Choke

fluorescent lamp, 580

Choppers, 285
Clamp diode, 117
Clamp winding, 113
Commutation

diode, 164
Hi-Com triac, 551
thyristor, 492
triac, 494, 523, 529

Compact fluorescent lamp, 585
Continuous mode

see Switched Mode Power Supplies

Continuous operation, 557
Converter (dc-dc)

switched mode power supply, 107

Cookers, 537
Cooling

forced, 572
natural, 570

Crest factor, 529
Critical electric field, 134
Cross regulation, 114, 117
Current fed resonant inverter, 589
Current Mode Control, 120
Current tail, 138, 143

Damper Diodes, 345, 367

forward recovery, 328, 348
losses, 347
outlines, 345
picture distortion, 328, 348
selection guide, 345

Darlington, 13
Data Sheets

High Voltage Bipolar Transistor, 92,97,331
MOSFET, 69

i

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Index

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

dc-dc converter, 119
Depletion region, 133
Desaturation networks, 86

Baker clamp, 91, 138

dI/dt

triac, 531

Diac, 492, 500, 527, 530, 591
Diode, 6

double diffused, 162
epitaxial, 161
schottky, 173
structure, 161

Diode Modulator, 327, 367
Disc drives, 302
Discontinuous mode

see Switched Mode Power Supplies

Domestic Appliances, 527
Dropper

capacitive, 544
resistive, 544, 545

Duty cycle, 561

EFD core

see magnetics

Efficiency Diodes

see Damper Diodes

Electric drill, 531
Electronic ballast, 580

base drive optimisation, 589
current fed half bridge, 584, 587, 589
current fed push pull, 583, 587
flyback, 582
transistor selection guide, 587
voltage fed half bridge, 584, 588
voltage fed push pull, 583, 587

EMC, 260, 455

see RFI, ESD
TOPFET, 473

Emitter shorting

triac, 549

Epitaxial diode, 161

characteristics, 163
dI/dt, 164
forward recovery, 168
lifetime control, 162
operating frequency, 165
passivation, 162
reverse leakage, 169
reverse recovery, 162, 164
reverse recovery softness, 167
selection guide, 171
snap-off, 167
softness factor, 167
stored charge, 162
technology, 162

ESD, 67

see Protection, ESD
precautions, 67

ETD core

see magnetics

F-pack

see isolated package

Fall time, 143, 144
Fast Recovery Epitaxial Diode (FRED)

see epitaxial diode

FBSOA, 134
Ferrites

see magnetics

Flicker

fluorescent lamp, 580

Fluorescent lamp, 579

colour rendering, 579
colour temperature, 579
efficacy, 579, 580
triphosphor, 579

Flyback converter, 110, 111, 113

advantages, 114
clamp winding, 113
continuous mode, 114
coupled inductor, 113
cross regulation, 114
diodes, 115
disadvantages, 114
discontinuous mode, 114
electronic ballast, 582
leakage inductance, 113
magnetics, 213
operation, 113
rectifier circuit, 180
self oscillating power supply, 199
synchronous rectifier, 156, 181
transformer core airgap, 111, 113
transistors, 115

Flyback converter (two transistor), 111, 114
Food mixer, 531
Forward converter, 111, 116

advantages, 116
clamp diode, 117
conduction loss, 197
continuous mode, 116
core loss, 116
core saturation, 117
cross regulation, 117
diodes, 118
disadvantages, 117
duty ratio, 117
ferrite cores, 116
magnetics, 213
magnetisation energy, 116, 117

ii

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Index

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

operation, 116
output diodes, 117
output ripple, 116
rectifier circuit, 180
reset winding, 117
switched mode power supply, 187
switching frequency, 195
switching losses, 196
synchronous rectifier, 157, 181
transistors, 118

Forward converter (two transistor), 111, 117
Forward recovery, 168
FREDFET, 250, 253, 305

bridge circuit, 255
charge, 254
diode, 254
drive, 262
loss, 256
reverse recovery, 254

FREDFETs

motor control, 259

Full bridge converter, 111, 125

advantages, 125
diodes, 126
disadvantages, 125
operation, 125
transistors, 126

Gate

triac, 538

Gate drive

forward converter, 195

Gold doping, 162, 169
GTO, 11
Guard ring

schottky diode, 174

Half bridge, 253
Half bridge circuits

see also Motor Control - AC

Half bridge converter, 111, 122

advantages, 122
clamp diodes, 122
cross conduction, 122
diodes, 124
disadvantages, 122
electronic ballast, 584, 587, 589
flux symmetry, 122
magnetics, 214
operation, 122
synchronous rectifier, 157
transistor voltage, 122
transistors, 124
voltage doubling, 122

Heat dissipation, 567

Heat sink compound, 567
Heater controller, 544
Heaters, 537
Heatsink, 569
Heatsink compound, 514
Hi-Com triac, 519, 549, 551

commutation, 551
dIcom/dt, 552
gate trigger current, 552
inductive load control, 551

High side switch

MOSFET, 44, 436
TOPFET, 430, 473

High Voltage Bipolar Transistor, 8, 79, 91,
141, 341

‘bathtub’ curves, 333
avalanche breakdown, 131
avalanche multiplication, 134
Baker clamp, 91, 138
base-emitter breakdown, 144
base drive, 83, 92, 96, 136, 336, 385
base drive circuit, 145
base inductor, 138, 144, 147
base inductor, diode assisted, 148
base resistor, 146
breakdown voltage, 79, 86, 92
carrier concentration, 151
carrier injection, 150
conductivity modulation, 135, 150
critical electric field, 134
current crowding, 135, 136
current limiting values, 132
current tail, 138, 143
current tails, 86, 91
d-type, 346
data sheet, 92, 97, 331
depletion region, 133
desaturation, 86, 88, 91
device construction, 79
dI/dt, 139
drive transformer, 145
drive transformer leakage inductance, 149
dV/dt, 139
electric field, 133
electronic ballast, 581, 585, 587, 589
Fact Sheets, 334
fall time, 86, 99, 143, 144
FBSOA, 92, 99, 134
hard turn-off, 86
horizontal deflection, 321, 331, 341
leakage current, 98
limiting values, 97
losses, 92, 333, 342
Miller capacitance, 139
operation, 150

iii

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Index

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

optimum drive, 88
outlines, 332, 346
over current, 92, 98
over voltage, 92, 97
overdrive, 85, 88, 137, 138
passivation, 131
power limiting value, 132
process technology, 80
ratings, 97
RBSOA, 93, 99, 135, 138, 139
RC network, 148
reverse recovery, 143, 151
safe operating area, 99, 134
saturation, 150
saturation current, 79, 98, 341
secondary breakdown, 92, 133
smooth turn-off, 86
SMPS, 94, 339, 383
snubber, 139
space charge, 133
speed-up capacitor, 143
storage time, 86, 91, 92, 99, 138, 144, 342
sub emitter resistance, 135
switching, 80, 83, 86, 91, 98, 342
technology, 129, 149
thermal breakdown, 134
thermal runaway, 152
turn-off, 91, 92, 138, 142, 146, 151
turn-on, 91, 136, 141, 149, 150
underdrive, 85, 88
voltage limiting values, 130

Horizontal Deflection, 321, 367

base drive, 336
control ic, 401
d-type transistors, 346
damper diodes, 345, 367
diode modulator, 327, 347, 352, 367
drive circuit, 352, 365, 406
east-west correction, 325, 352, 367
line output transformer, 354
linearity correction, 323
operating cycle, 321, 332, 347
s-correction, 323, 352, 404
TDA2595, 364, 368
TDA4851, 400
TDA8433, 363, 369
test circuit, 321
transistors, 331, 341, 408
waveforms, 322

IGBT, 11, 305

automotive, 481, 483
clamped, 482, 484
ignition, 481, 483

Ignition

automotive, 479, 481, 483
darlington, 483

Induction heating, 53
Induction motor

see Motor Control - AC

Inductive load

see Solenoid

Inrush current, 528, 530
Intrinsic silicon, 133
Inverter, 260, 273

see motor control ac
current fed, 52, 53
switched mode power supply, 107

Irons, electric, 537
Isolated package, 154

stray capacitance, 154, 155
thermal resistance, 154

Isolation, 153

J-FET, 9
Junction temperature, 470, 557, 561

burst pulses, 564
non-rectangular pulse, 565
rectangular pulse, composite, 562
rectangular pulse, periodic, 561
rectangular pulse, single shot, 561

Lamp dimmer, 530
Lamps, 435

dI/dt, 438
inrush current, 438
MOSFET, 435
PWM control, 455
switch rate, 438
TOPFET, 455

Latching current

thyristor, 490

Leakage inductance, 113, 200, 523
Lifetime control, 162
Lighting

fluorescent, 579
phase control, 530

Logic Level FET

motor control, 432

Logic level MOSFET, 436

Magnetics, 207

100W 100kHz forward converter, 197
100W 50kHz forward converter, 191
50W flyback converter, 199
core losses, 208
core materials, 207
EFD core, 210
ETD core, 199, 207

iv

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Index

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

flyback converter, 213
forward converter, 213
half bridge converter, 214
power density, 211
push-pull converter, 213
switched mode power supply, 187
switching frequency, 215
transformer construction, 215

Mains Flicker, 537
Mains pollution, 225

pre-converter, 225

Mains transient, 544
Mesa glass, 162
Metal Oxide Varistor (MOV), 503
Miller capacitance, 139
Modelling, 236, 265
MOS Controlled Thyristor, 13
MOSFET, 9, 19, 153, 253

bootstrap, 303
breakdown voltage, 22, 70
capacitance, 30, 57, 72, 155, 156
capacitances, 24
characteristics, 23, 70 - 72
charge, 32, 57
data sheet, 69
dI/dt, 36
diode, 253
drive, 262, 264
drive circuit loss, 156
driving, 39, 250
dV/dt, 36, 39, 264
ESD, 67
gate-source protection, 264
gate charge, 195
gate drive, 195
gate resistor, 156
high side, 436
high side drive, 44
inductive load, 62
lamps, 435
leakage current, 71
linear mode, parallelling, 52
logic level, 37, 57, 305
loss, 26, 34
maximum current, 69
motor control, 259, 429
modelling, 265
on-resistance, 21, 71
package inductance, 49, 73
parallel operation, 26, 47, 49, 265
parasitic oscillations, 51
peak current rating, 251
Resonant supply, 53
reverse diode, 73
ruggedness, 61, 73

safe operating area, 25, 74
series operation, 53
SMPS, 339, 384
solenoid, 62
structure, 19
switching, 24, 29, 58, 73, 194, 262
switching loss, 196
synchronous rectifier, 179
thermal impedance, 74
thermal resistance, 70
threshold voltage, 21, 70
transconductance, 57, 72
turn-off, 34, 36
turn-on, 32, 34, 35, 155, 256

Motor, universal

back EMF, 531
starting, 528

Motor Control - AC, 245, 273

anti-parallel diode, 253
antiparallel diode, 250
carrier frequency, 245
control, 248
current rating, 262
dc link, 249
diode, 261
diode recovery, 250
duty ratio, 246
efficiency, 262
EMC, 260
filter, 250
FREDFET, 250, 259, 276
gate drives, 249
half bridge, 245
inverter, 250, 260, 273
line voltage, 262
loss, 267
MOSFET, 259
Parallel MOSFETs, 276
peak current, 251
phase voltage, 262
power factor, 262
pulse width modulation, 245, 260
ripple, 246
short circuit, 251
signal isolation, 250
snubber, 276
speed control, 248
switching frequency, 246
three phase bridge, 246
underlap, 248

Motor Control - DC, 285, 293, 425

braking, 285, 299
brushless, 301
control, 290, 295, 303
current rating, 288

v

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Index

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

drive, 303
duty cycle, 286
efficiency, 293
FREDFET, 287
freewheel diode, 286
full bridge, 287
half bridge, 287
high side switch, 429
IGBT, 305
inrush, 430
inverter, 302
linear, 457, 475
logic level FET, 432
loss, 288
MOSFET, 287, 429
motor current, 295
overload, 430
permanent magnet, 293, 301
permanent magnet motor, 285
PWM, 286, 293, 459, 471
servo, 298
short circuit, 431
stall, 431
TOPFET, 430, 457, 459, 475
topologies, 286
torque, 285, 294
triac, 525
voltage rating, 288

Motor Control - Stepper, 309

bipolar, 310
chopper, 314
drive, 313
hybrid, 312
permanent magnet, 309
reluctance, 311
step angle, 309
unipolar, 310

Mounting, transistor, 154
Mounting base temperature, 557
Mounting torque, 514

Parasitic oscillation, 149
Passivation, 131, 162
PCB Design, 368, 419
Phase angle, 500
Phase control, 546

thyristors and triacs, 498
triac, 523

Phase voltage

see motor control - ac

Power dissipation, 557

see High Voltage Bipolar Transistor loss,
MOSFET loss

Power factor correction, 580

active, boost converted, 581

Power MOSFET

see MOSFET

Proportional control, 537
Protection

ESD, 446, 448, 482
overvoltage, 446, 448, 469
reverse battery, 452, 473, 479
short circuit, 251, 446, 448
temperature, 446, 447, 471
TOPFET, 445, 447, 451

Pulse operation, 558
Pulse Width Modulation (PWM), 108
Push-pull converter, 111, 119

advantages, 119
clamp diodes, 119
cross conduction, 119
current mode control, 120
diodes, 121
disadvantages, 119
duty ratio, 119
electronic ballast, 582, 587
flux symmetry, 119, 120
magnetics, 213
multiple outputs, 119
operation, 119
output filter, 119
output ripple, 119
rectifier circuit, 180
switching frequency, 119
transformer, 119
transistor voltage, 119
transistors, 121

Qs (stored charge), 162

RBSOA, 93, 99, 135, 138, 139
Rectification, synchronous, 179
Reset winding, 117
Resistor

mains dropper, 544, 545

Resonant power supply, 219, 225

modelling, 236
MOSFET, 52, 53
pre-converter, 225

Reverse leakage, 169
Reverse recovery, 143, 162
RFI, 154, 158, 167, 393, 396, 497, 529, 530,
537
Ruggedness

MOSFET, 62, 73
schottky diode, 173

Safe Operating Area (SOA), 25, 74, 134, 557

forward biased, 92, 99, 134
reverse biased, 93, 99, 135, 138, 139

vi

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Index

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

Saturable choke

triac, 523

Schottky diode, 173

bulk leakage, 174
edge leakage, 174
guard ring, 174
reverse leakage, 174
ruggedness, 173
selection guide, 176
technology, 173

SCR

see Thyristor

Secondary breakdown, 133
Selection Guides

BU25XXA, 331
BU25XXD, 331
damper diodes, 345
EPI diodes, 171
horizontal deflection, 343
MOSFETs driving heaters, 442
MOSFETs driving lamps, 441
MOSFETs driving motors, 426
Schottky diodes, 176
SMPS, 339

Self Oscillating Power Supply (SOPS)

50W microcomputer flyback converter, 199
ETD transformer, 199

Servo, 298
Single ended push-pull

see half bridge converter

Snap-off, 167
Snubber, 93, 139, 495, 502, 523, 529, 549

active, 279

Softness factor, 167
Solenoid

TOPFET, 469, 473
turn off, 469, 473

Solid state relay, 501
SOT186, 154
SOT186A, 154
SOT199, 154
Space charge, 133
Speed-up capacitor, 143
Speed control

thyristor, 531
triac, 527

Starter

fluorescent lamp, 580

Startup circuit

electronic ballast, 591
self oscillating power supply, 201

Static Induction Thyristor, 11
Stepdown converter, 109
Stepper motor, 309
Stepup converter, 109

Storage time, 144
Stored charge, 162
Suppression

mains transient, 544

Switched Mode Power Supply (SMPS)

see also self oscillating power supply
100W 100kHz MOSFET forward converter,
192
100W 500kHz half bridge converter, 153
100W 50kHz bipolar forward converter, 187
16 & 32 kHz TV, 389
asymmetrical, 111, 113
base circuit design, 149
boost converter, 109
buck-boost converter, 110
buck converter, 108
ceramic output filter, 153
continuous mode, 109, 379
control ic, 391
control loop, 108
core excitation, 113
core loss, 167
current mode control, 120
dc-dc converter, 119
diode loss, 166
diode reverse recovery effects, 166
diode reverse recovery softness, 167
diodes, 115, 118, 121, 124, 126
discontinuous mode, 109, 379
epitaxial diodes, 112, 161
flux swing, 111
flyback converter, 92, 111, 113, 123
forward converter, 111, 116, 379
full bridge converter, 111, 125
half bridge converter, 111, 122
high voltage bipolar transistor, 94, 112, 115,
118, 121, 124, 126, 129, 339, 383, 392
isolated, 113
isolated packages, 153
isolation, 108, 111
magnetics design, 191, 197
magnetisation energy, 113
mains filter, 380
mains input, 390
MOSFET, 112, 153, 33, 384
multiple output, 111, 156
non-isolated, 108
opto-coupler, 392
output rectifiers, 163
parasitic oscillation, 149
power-down, 136
power-up, 136, 137, 139
power MOSFET, 153, 339, 384
pulse width modulation, 108
push-pull converter, 111, 119

vii

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Index

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

RBSOA failure, 139
rectification, 381, 392
rectification efficiency, 163
rectifier selection, 112
regulation, 108
reliability, 139
resonant

see resonant power supply

RFI, 154, 158, 167
schottky diode, 112, 154, 173
snubber, 93, 139, 383
soft start, 138
standby, 382
standby supply, 392
start-up, 391
stepdown, 109
stepup, 109
symmetrical, 111, 119, 122
synchronisation, 382
synchronous rectification, 156, 179
TDA8380, 381, 391
topologies, 107
topology output powers, 111
transformer, 111
transformer saturation, 138
transformers, 391
transistor current limiting value, 112
transistor mounting, 154
transistor selection, 112
transistor turn-off, 138
transistor turn-on, 136
transistor voltage limiting value, 112
transistors, 115, 118, 121, 124, 126
turns ratio, 111
TV & Monitors, 339, 379, 399
two transistor flyback, 111, 114
two transistor forward, 111, 117

Switching loss, 230
Synchronous, 497
Synchronous rectification, 156, 179

self driven, 181
transformer driven, 180

Temperature control, 537
Thermal

continuous operation, 557, 568
intermittent operation, 568
non-rectangular pulse, 565
pulse operation, 558
rectangular pulse, composite, 562
rectangular pulse, periodic, 561
rectangular pulse, single shot, 561
single shot operation, 561

Thermal capacity, 558, 568

Thermal characteristics

power semiconductors, 557

Thermal impedance, 74, 568
Thermal resistance, 70, 154, 557
Thermal time constant, 568
Thyristor, 10, 497, 509

’two transistor’ model, 490
applications, 527
asynchronous control, 497
avalanche breakdown, 490
breakover voltage, 490, 509
cascading, 501
commutation, 492
control, 497
current rating, 511
dI/dt, 490
dIf/dt, 491
dV/dt, 490
energy handling, 505
external commutation, 493
full wave control, 499
fusing I

2

t, 503, 512

gate cathode resistor, 500
gate circuits, 500
gate current, 490
gate power, 492
gate requirements, 492
gate specifications, 512
gate triggering, 490
half wave control, 499
holding current, 490, 509
inductive loads, 500
inrush current, 503
latching current, 490, 509
leakage current, 490
load line, 492
mounting, 514
operation, 490
overcurrent, 503
peak current, 505
phase angle, 500
phase control, 498, 527
pulsed gate, 500
resistive loads, 498
resonant circuit, 493
reverse characteristic, 489
reverse recovery, 493
RFI, 497
self commutation, 493
series choke, 502
snubber, 502
speed controller, 531
static switching, 497
structure, 489
switching, 489

viii

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Index

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

switching characteristics, 517
synchronous control, 497
temperature rating, 512
thermal specifications, 512
time proportional control, 497
transient protection, 502
trigger angle, 500
turn-off time, 494
turn-on, 490, 509
turn-on dI/dt, 502
varistor, 503
voltage rating, 510

Thyristor data, 509
Time proportional control, 537
TOPFET

3 pin, 445, 449, 461
5 pin, 447, 451, 457, 459, 463
driving, 449, 453, 461, 465, 467, 475
high side, 473, 475
lamps, 455
leadforms, 463
linear control, 451, 457
motor control, 430, 457, 459
negative input, 456, 465, 467
protection, 445, 447, 451, 469, 473
PWM control, 451, 455, 459
solenoids, 469

Transformer

triac controlled, 523

Transformer core airgap, 111, 113
Transformers

see magnetics

Transient thermal impedance, 559
Transient thermal response, 154
Triac, 497, 510, 518

400Hz operation, 489, 518
applications, 527, 537
asynchronous control, 497
breakover voltage, 510
charge carriers, 549
commutating dI/dt, 494
commutating dV/dt, 494
commutation, 494, 518, 523, 529, 549
control, 497
dc inductive load, 523
dc motor control, 525
dI/dt, 531, 549
dIcom/dt, 523
dV/dt, 523, 549
emitter shorting, 549
full wave control, 499
fusing I

2

t, 503, 512

gate cathode resistor, 500
gate circuits, 500
gate current, 491

gate requirements, 492
gate resistor, 540, 545
gate sensitivity, 491
gate triggering, 538
holding current, 491, 510
Hi-Com, 549, 551
inductive loads, 500
inrush current, 503
isolated trigger, 501
latching current, 491, 510
operation, 491
overcurrent, 503
phase angle, 500
phase control, 498, 527, 546
protection, 544
pulse triggering, 492
pulsed gate, 500
quadrants, 491, 510
resistive loads, 498
RFI, 497
saturable choke, 523
series choke, 502
snubber, 495, 502, 523, 529, 549
speed controller, 527
static switching, 497
structure, 489
switching, 489
synchronous control, 497
transformer load, 523
transient protection, 502
trigger angle, 492, 500
triggering, 550
turn-on dI/dt, 502
varistor, 503
zero crossing, 537

Trigger angle, 500
TV & Monitors

16 kHz black line, 351
30-64 kHz autosync, 399
32 kHz black line, 361
damper diodes, 345, 367
diode modulator, 327, 367
EHT, 352 - 354, 368, 409, 410
high voltage bipolar transistor, 339, 341
horizontal deflection, 341
picture distortion, 348
power MOSFET, 339
SMPS, 339, 354, 379, 389, 399
vertical deflection, 358, 364, 402

Two transistor flyback converter, 111, 114
Two transistor forward converter, 111, 117

Universal motor

back EMF, 531

ix

Philips-Power-Semiconductor-Applications-html.html
background image

Index

Power Semiconductor Applications

Philips Semiconductors

starting, 528

Vacuum cleaner, 527
Varistor, 503
Vertical Deflection, 358, 364, 402
Voltage doubling, 122

Water heaters, 537

Zero crossing, 537
Zero voltage switching, 537

x