ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ ДЛЯ КОМПАКТНОГО МОДУЛЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭНЕРГИИ
HIGH-PITCHED SWITCHING UNIT FOR THE COMPACT ENERGY ABSORBER MODULE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится, в целом, к области электроники, в частности, к мощным высокочастотным полупроводниковым переключающим (коммутирующим) устройствам.
Уровень техники
В настоящее время полупроводниковые переключающие устройства (переключатели, ключи), такие как диоды, тиристоры, биполярные транзисторы, полевые транзисторы со структурой металл-оксид-полупроводник (МОП-транзисторы) и другие, широко используются в различных электронных устройствах. Область применения полупроводниковых переключающих устройств включает в себя системы преобразования мощности, устройства связи, устройства управления и мониторинга, усилительное оборудование и т.д. Такие переключающие устройства могут быть выполнены с возможностью управления током посредством операций включения/выключения. Производительность электронных устройств может зависеть от производительности используемых в них полупроводниковых переключающих устройств. Таким образом, основные требования к полупроводниковым переключающим устройствам включают в себя высокую эффективность, малый размер, быстродействие, низкие потери, высокую надежность и другие.
Одним из ключевых требований к переключающим устройствам является их быстродействие. Быстродействие переключателей имеет очень большое значение с точки зрения КПД устройства, так как именно в момент переключения возникают потери энергии, выделяющейся в виде тепла на транзисторах переключателя. В крайних состояниях переключателя потери энергии невелики, так как либо ток через переключатель (в выключенном состоянии), либо напряжение на переключателе (во включенном состоянии) близки к нулю, и, следовательно, выделяемая мощность (произведение тока на напряжение) близка к нулю. В момент переключения переключатель оказывается в состоянии, когда и ток и напряжение отличны от нуля и, следовательно, на переключателе рассеивается значительная мощность. Пока длительность процесса переключения мала по сравнению с интервалом времени между переключениями, средняя рассеиваемая мощность относительно невелика, но по мере роста рабочей частоты соотношение между периодом переключения и длительностью процесса переключения ухудшается и средняя рассеиваемая мощность растет, что означает уменьшение КПД. Чтобы избежать этого, необходимо уменьшать время переключения (повышать быстродействие ключа).
Одним из способов повышения быстродействия переключателя является использование каскодной схемы, состоящее обычно из основного (как правило, мощного) переключающего транзистора, работающего с фиксированным потенциалом затвора и управляемого со стороны истока, и вспомогательного, обычно маломощного, транзистора, управляемого со стороны затвора и включенного последовательно с основным транзистором. Состояние такого переключателя определяется состоянием вспомогательного транзистора, а поскольку вспомогательный транзистор работает с гораздо меньшим напряжением между стоком и истоком, чем основной, его быстродействие может быть гораздо выше, чем у мощного. Таким образом, применение каскодной схемы позволяет создать быстродействующий ключ на базе стандартных транзисторов.
Недостатком каскодной схемы является замедленный процесс выключения тока через переключатель, связанный с тем, что выключение основного (высокомощного) транзистора происходит пассивно, т.е. по факту прекращения тока через вспомогательный транзистор. При этом оба транзистора оказываются в непроводящем состоянии, и потенциал точки соединения транзисторов становится неопределенным и может превысить максимально допустимое напряжение для вспомогательного транзистора. Для предотвращения этого эффекта используются дополнительные цепи, как, например, диод Vz2 в патенте US 8,878,593 B2. Включение этого диода приводит к падению разности потенциалов между затвором и истоком основного транзистора М1 и его ускоренному выключению. Однако включение диода Vz2 произойдет, когда потенциал точки соединения транзисторов (N1) превысит потенциал затвора транзистора М1, т.е. когда процесс выключения уже начался и прошел первую стадию - выключение вспомогательного транзистора М2.
Таким образом, решение в соответствии с документом US 8,878,593 В2 имеет высокие коммутационные потери вследствие задержки коммутации высокомощного N-канального МОП-транзистора во время работы упомянутого переключающего устройства.
Для ускорения процесса выключения применяются более сложные вспомогательные цепи, как, например, в патенте US 8,779,841 В2, который рассматривается в качестве ближайшего уровня техники. В данном решении раскрыт каскодный переключатель, включающий в себя первый силовой транзистор Q1, соединенный последовательно со вторым силовым транзистором Q2, таким образом, что первый силовой транзистор Q1 находится между «землей» и вторым силовым транзистором Q2, при этом второй транзистор Q2 выполнен с возможностью подключения к нагрузке. Первый силовой транзистор Q1 выполнен с возможностью включения и выключения, реагируя на импульсный источник, соединенный с затвором первого силового транзистора. Приведенная схема дополнительно содержит третий транзистор Q3. Дополнительный биполярный транзистор Q3 открывается, когда напряжение источника управляющего сигнала становится равным нулю (и в этот же момент выключается вспомогательный транзистор Q1). Предложенный способ ускорения выключения основного транзистора Q2 имеет несколько недостатков:
- для того чтобы дополнительный транзистор Q3 начал открываться, нужно, чтобы потенциал его базы стал понижаться вслед за понижением управляющего напряжения V1. Однако база этого транзистора соединена с источником управляющего напряжения через диод D4, который в этот момент становится обратно-смещенным и может подать на базу транзистора Q3 в качестве управляющего только ток утечки (в идеале равный нулю);
- потенциал затвора основного транзистора Q2 не строго фиксирован, а изменяется в соответствии с подачей управляющего напряжения V1. Заряд большой емкости затвора мощного транзистора Q2 потребует дополнительного расхода мощности управляющего сигнала на этапе включения.
Замедление по описанным выше причинам процесса выключения основного транзистора Q2 приводит к рассеянию (в виде тепла) дополнительной мощности и уменьшению КПД переключателя.
Таким образом, решение в соответствии с документом US 8,779,841 В2 имеет недостатки, аналогичные недостаткам указанного выше решения в соответствии с документом US 8,878,593 B2. Коммутационные потери вследствие задержки переключения высокомощного N-канального МОП-транзистора обусловлены тем, что высокомощный N-канальный МОП-транзистор Q2 начинает выключение после того, как маломощный N-канальный МОП-транзистор Q1 закончит выключение (напряжение стока Q1 должно увеличиться выше порогового значения).
Стоит отметить также, что обычно процесс включения каскодных схем происходит значительно быстрее, чем процесс выключения и не вызывает существенных тепловых потерь.
Также следует отметить, что высокие потери вызывают высокое тепловыделение от переключающих элементов. Следовательно, необходимо предусматривать дополнительные элементы для рассеяния тепла, что увеличивает размер оборудования.
Сущность изобретения
Улучшение массогабаритных показателей (другими словами, повышение удельной мощности) источников питания тесно связано с повышением их рабочей частоты, так как это позволяет уменьшить величины (а значит и габаритные размеры) индуктивностей и емкостей.
С другой стороны, с ростом рабочей частоты все бóльшую роль начинает играть ограниченное быстродействие переключающих элементов (транзисторных ключей), так как процесс перехода из открытого в закрытое состояние сопровождается большим выделением энергии (в виде тепла). Если такие переключения происходят с низкой частотой, то средняя выделяемая мощность мала, если переключения происходят часто, то средняя выделяемая мощность растет, что означает:
- во-первых, падение КПД, так как все большая часть мощности бесполезно теряется;
- во-вторых, увеличение выделяемого тепла препятствует уменьшению габаритов источника питания, так как требуется все более громоздкий теплоотвод.
Таким образом, анализ предшествующего уровня техники показывает следующие основные проблемы, которые должны быть решены в настоящем изобретении: высокие коммутационные потери, низкая производительность переключателя вследствие коммутационной задержки мощного транзистора, увеличенный размер переключателя из-за дополнительных элементов для рассеяния тепла и т.д.
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предложен высокочастотный переключатель, содержащий: каскодную схему переключения, включающую в себя, по меньшей мере, два транзистора (VT1, VT2), источник (U1) неизменяемого вспомогательного напряжения, источник (U2) управляющего сигнала, и дополнительный транзистор (VT3), имеющий тип проводимости, противоположный типу проводимости транзисторов (VT1, VT2) каскодной схемы переключения. Первый вывод первого транзистора (VT1) каскодной схемы переключения заземлен, второй вывод первого транзистора (VT1) каскодной схемы переключения соединен с первым выводом второго транзистора (VT2) каскодной схемы переключения, управляющий вывод первого транзистора (VT1) каскодной схемы переключения соединен с источником (U2) управляющего сигнала, второй вывод второго транзистора (VT2) каскодной схемы переключения соединен с нагрузкой, управляющий вывод второго транзистора (VT2) каскодной схемы переключения соединен с источником (U1)вспомогательного напряжения. Первый вывод дополнительного транзистора (VT3) подключен к точке соединения второго вывода первого транзистора (VT1) каскодной схемы переключения и первого вывода второго транзистора (VT2) каскодной схемы переключения, второй вывод дополнительного транзистора (VT3) подключен к точке соединения управляющего вывода второго транзистора (VT2) каскодной схемы переключения и источника (U1) вспомогательного напряжения, а управляющий вывод дополнительного транзистора (VT3) соединен с источником (U2) управляющего сигнала. Источник (U1) вспомогательного напряжения выполнен с возможностью подавать неизменяемое напряжение на управляющий вывод второго транзистора (VT2) каскодной схемы переключения. Источник (U2) управляющего сигнала выполнен с возможностью подавать управляющий сигнал на управляющий вывод первого транзистора (VT1) каскодной схемы переключения и на управляющий вывод дополнительного транзистора (VT3) для того, чтобы одновременно осуществлять управление первым транзистором (VT1) каскодной схемы переключения и дополнительным транзистором (VT3), посредством этого осуществляя управление вторым транзистором (VT2) каскодной схемы переключения.
Согласно одному варианту осуществления высокочастотного переключателя транзисторы представляют собой полевые транзисторы со структурой металл-оксид-полупроводник (МОП-транзисторы). В таком случае первый вывод, второй вывод и управляющий вывод транзисторов представляют собой исток, сток и затвор, соответственно.
Согласно дополнительному варианту осуществления высокочастотного переключателя транзисторы (VT1, VT2) каскодной схемы переключения представляют собой N-канальные МОП-транзисторы, а дополнительный транзистор (VT3) представляет собой P-канальный МОП-транзистор.
Согласно одному варианту осуществления высокочастотного переключателя транзисторы представляют собой биполярные транзисторы. В таком случае первый вывод, второй вывод и управляющий вывод транзисторов представляют собой эмиттер, коллектор и базу, соответственно.
Согласно дополнительному варианту осуществления высокочастотного переключателя транзисторы (VT1, VT2) каскодной схемы переключения представляют собой n-p-n транзисторы, а дополнительный транзистор (VT3) представляет собой p-n-p транзистор.
Согласно еще одному варианту осуществления высокочастотный переключатель, дополнительно содержащий диод, подключенный параллельно дополнительному транзистору (VT3).
В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предложен преобразователь электрической энергии, содержащий, по меньшей мере, один упомянутый высокочастотный переключатель.
Технический результат настоящего изобретения состоит в обеспечении высокомощного сверхвысокочастотного переключателя с низкими потерями, обеспечении компактного высокомощного сверхвысокочастотного переключателя для создания компактных низкопрофильных силовых преобразователей без громоздких компонентов, обеспечении высокоскоростного переключателя и, тем самым, улучшении производительности силовых преобразователей, использующих такие переключатели.
Таким образом, настоящее изобретение предназначено для обеспечения компактного высокоскоростного высокомощного высокочастотного переключателя с малыми потерями.
Предпочтительно, мощный сверхвысокочастотный переключатель, в соответствии с настоящим изобретением, может быть основан на полевых МОП-транзисторах. Предпочтительно, в настоящем изобретении могут быть использованы МОП-транзисторы на основе кремния. Использование МОП-транзисторов на основе кремния позволяет создать недорогие силовые переключатели.
Краткое описание чертежей
Подробное описание и преимущества настоящего изобретения описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 показан пример переключателя в соответствии с одним вариантом осуществления.
На фиг. 2 показан пример переключателя в соответствии со вторым вариантом осуществления.
Подробное описание вариантов осуществления
Варианты осуществления не ограничиваются описанными здесь вариантами осуществления. Специалисту в области техники на основе информации, изложенной в описании, и знаний уровня техники станут очевидны и другие варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.
Приведенный в качестве примера переключатель в соответствии с первым вариантом осуществления изображен на Фиг. 1. Высокомощный высокочастотный переключатель содержит каскодную схему переключения, включающую в себя, по меньшей мере, два транзистора (VT1, VT2), соединенных последовательно, источник (U1) неизменяемого вспомогательного напряжения, источник (U2) управляющего сигнала, и дополнительный транзистор (VT3).
В настоящем варианте осуществления первый транзистор VT1 и второй транзистор VT2 являются N-канальными МОП-транзисторами, а дополнительный транзистор VT3 является P-канальным МОП-транзистором. Дополнительный маломощный, низковольтный, быстродействующий P-канальный МОП-транзистор VT3 предусмотрен для быстрого выключения переключателя. Затвор дополнительного транзистора VT3, а также затвор первого транзистора VT1 соединен с источником U2 напряжения. Таким образом, дополнительный транзистор VT3 работает синхронно с первым транзистором VT1, так как они находятся под контролем одного и того же источника U2 напряжения. Сток дополнительного транзистора VT3 соединен с затвором второго транзистора VT2, а исток дополнительного транзистора VT3 соединен с истоком второго транзистора VT2, чтобы форсировать выключение транзистора VT2. Затвор второго транзистора VT2 дополнительно соединен с источником U1 неизменяемого напряжения, а сток второго транзистора VT2 соединен с нагрузкой. Сток первого транзистора VT1 соединен с истоком второго транзистора VT2, а исток первого транзистора VT1 соединен с «землей».
Таким образом, мощный высокочастотный переключатель, показанный на Фиг. 1, включает в себя мощный N-канальный МОП-транзистор, быстродействующий N-канальный МОП-транзистор и быстродействующий P-канальный МОП-транзистор, дополнительный источник U1 неизменяемого напряжения и источник U2 управляющего сигнала.
Изобретение в соответствии с первым вариантом осуществления, показанным на Фиг. 1, работает следующим образом.
Включение
На нарастающем фронте управляющего напряжения U2 N-канальный МОП-транзистор VT1 переходит из режима «выключено» в режим «включено». Затвор дополнительного P-канального МОП-транзистора VT3 соединен непосредственно с затвором VT1, но VT3 имеет обратную полярность и одновременно переходит из режима «включено» в режим «выключено». Исток дополнительного транзистора VT3 соединен с затвором VT2, а сток дополнительного транзистора VT3 соединен с истоком VT2 таким образом, что когда VT3 находится в режиме «выключено», вся схема VT1 - VT3 функционирует, как обычный каскодный переключатель, обеспечивающий низкое сопротивление. Потенциал точки А соединения всех транзисторов является низким (близко к «земле»). Напряжение затвор-исток для второго транзистора VT2 приблизительно равно напряжению U1, и, следовательно, второй транзистор VT2 полностью открыт.
Выключение
На спадающем фронте управляющего напряжения U2 N-канальный МОП-транзистор VT1 переходит из режима «включено» в режим «выключено». В это же время дополнительный P-канальный МОП-транзистор VT3 переходит из режима «выключено» в режим «включено», поскольку его затвор соединен непосредственно с затвором VT1. Потенциал точки А близок к U1, следовательно, напряжение затвор-исток для второго транзистора VT2 приблизительно равно нулю, и, следовательно, VT2 выключен.
Для традиционной конструкции каскода потенциал точки А не определен, когда VT1 и VT2 выключены и имеют высокое полное сопротивление. Дополнительный транзистор VT3 исключает такую ситуацию и форсирует процесс выключения в каскодном переключателе.
На фиг. 2 показан второй вариант осуществления высокомощного высокочастотного переключателя.
Приведенный второй вариант осуществления содержит диод, подключенный параллельно дополнительному транзистору VT3.
Диод VD предназначен для защиты дополнительного транзистора VT3 в том случае, если его быстродействие окажется ниже, чем быстродействие транзистора VT1. Такая ситуация возможна, т.к. быстродействие P-канальных МОП-транзисторов (к которым относится дополнительный транзистор VT3), обычно меньше быстродействия N-канальных МОП-транзисторов (к которым относится транзистор VT1). В результате потенциал общей точки транзисторов VT1 и VT2 может оказаться выше потенциала истока транзистора VT3, такая полярность может оказаться недопустимой для P-канального МОП-транзистора VT3. Диод VD, таким образом, предотвращает подачу на дополнительный транзистор VT3 напряжения «неправильной» полярности.
В альтернативном третьем варианте осуществления возможна реализация упомянутого переключателя на основе биполярных транзисторов. Такой переключатель по своей конструкции аналогичен переключателю, раскрытому в первом варианте осуществления настоящего изобретения. Однако, вместо N-канальных МОП-транзисторов в переключателе согласно третьему варианту осуществления используются n-p-n транзисторы, а вместо P-канального МОП-транзистора используется p-n-p транзистор.
Стоит отметить, что каскодная схема переключения, используемая в настоящем изобретении, может содержать более двух транзисторов, например, три.
3
Было проведено моделирование преобразователя электрической энергии на основе описанного высокочастотного переключателя с помощью пакета программ электронного моделирования Advanced Design System ADS 2011.6. При моделировании ставилась задача существенного повышения рабочей частоты (до 13,56 МГц вместо обычных 100-300 кГц) при обеспечении достаточно высокого КПД (~85%). На вход преобразователя подается высокое постоянное напряжение (до 400 В), типичное для выпрямленного напряжения сети 220 В 50(60) Гц. По результатам моделирования выходное напряжение преобразователя имеет частоту 13,56 МГц при мощности 231Вт и КПД 84,6% (входная мощность 274 Вт). При такой высокой рабочей частоте основные реактивные элементы (индукторы ~1,0 мкГн) преобразователя могут иметь объем всего ~10 куб.см, что позволяет говорить об удельной мощности более 10 Вт/см.
Таким образом, настоящее изобретение позволяет получить компактный высокоскоростной высокомощный высокочастотный переключатель с малыми потерями.
Помимо общего сокращения размеров источников питания, содержащих преобразователи электрической энергии, использующие переключатели согласно настоящему изобретению, существенным фактором для потребителей является возможность исполнения этих источников в виде плоской конструкции с малой высотой. Это важно, например, для телевизоров, так как малая толщина корпуса телевизора является важным потребительским преимуществом.
Элементы, упомянутые в материалах заявки в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное. Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были подробно описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать более широкое изобретение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку различные другие модификации могут быть очевидны специалистам в соответствующей области.