ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ УСТРОЙСТВО С МЯГКИМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ

Предложение относится к области силовой электроники, в частности к преобразовательным схемам с пониженными динамическими потерями в силовых полупроводниковых ключах, и может быть использовано при разработке автономных инверторов и импульсных регуляторов.
Известны схемы полупроводниковых устройств, в которых обеспечивается мягкое переключение основных транзисторов при нулевом напряжении с помощью дополнительных ключей и дополнительного дросселя (см. US 5418704, 23.05.1995; US 5574636, 12.11.1996).
Недостатком данных изобретений является то, что выключение дополнительных транзисторов в них является жестким, что значительно увеличивает общие динамические потери в схеме.
Известны технические решения, в которых мягкое выключение дополнительных транзисторов достигается с помощью магнитно-связанного дросселя, содержащего две обмотки.
Наиболее близким по технической сути является решение (см. Frame S., Katsis D., Lee D.H., Boroyevich D., Lee F.C. "A three-phase zero-voltage-transition inverter with inductor feedback", Virginia Power Electronics Center Seminar, 1996, pp.189-194), включающее источник тока нагрузки, два основных и два вспомогательных транзистора, содержащие каждый коллектор, эмиттер, затвор и встроенный обратно-параллельный диод, два дополнительных диода, содержащие каждый анод и катод, магнитно-связанный дроссель, содержащий первую и вторую обмотки, а также два дополнительных конденсатора, соединенные между собой таким образом, что каждый из дополнительных конденсаторов подключен между коллектором и эмиттером двух основных транзисторов, коллекторы первого основного и первого вспомогательного транзисторов, а также катод первого дополнительного диода подключены к положительной шине питания, а эмиттеры второго основного и второго вспомогательного транзисторов, а также анод второго дополнительного диода подключены к отрицательной шине питания, при этом эмиттер первого и коллектор второго основных транзисторов соединены между собой и образуют точку фазы, к которой подключены первый полюс источника тока нагрузки, а также начало первой и конец второй обмоток магнитно-связанного дросселя, второй полюс источника тока нагрузки подключен к общей шине, эмиттер первого и коллектор второго вспомогательных транзисторов соединены между собой и концом первой обмотки магнитно-связанного дросселя, анод первого и катод второго дополнительных диодов образуют точку соединения, к которой подключено начало второй обмотки магнитно-связанного дросселя.
В указанном решении обеспечивается мягкое включение и выключение на нулевое напряжение основных транзисторов, а также мягкое включение и
выключение на нулевой ток дополнительных транзисторов. Выполнение условий мягкого переключения в транзисторах схемы требует учета индуктивностей рассеяния магнитно-связанного дросселя, точные значения которых трудно контролируются. Поэтому четкое выполнение указанных условий в реальных устройствах весьма затруднительно. Еще одним недостатком данной схемы является возможность насыщения магнитного сердечника дросселя, что существенно искажает форму токов, протекающих в транзисторах, и в конечном итоге ведет к срыву режимов мягкого переключения.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в следующем:
1. Условия мягкого переключения транзисторов устройства определяются известными значениями дополнительных элементов схемы, причем влияние разброса значений индуктивностей рассеяния магнитно-связанного дросселя компенсируется индуктивностью дополнительного дросселя в его первичной обмотке.
2. С помощью определенных соотношений между величиной индуктивности дополнительного дросселя и емкостью дополнительных конденсаторов в устройстве обеспечивается баланс вольт-секундных площадей на обмотках магнитно-связанного дросселя, что исключает его насыщение.
Технический результат достигается тем, что в полупроводниковое устройство, включающее источник тока нагрузки, два основных и два вспомогательных транзистора, содержащие каждый коллектор, эмиттер, затвор и встроенный обратно-параллельный диод, два дополнительных диода, содержащие каждый анод и катод, магнитно-связанный дроссель, содержащий первую и вторую обмотки, а также два дополнительных конденсатора, соединенные между собой таким образом, что каждый из дополнительных конденсаторов подключен между коллектором и эмиттером двух основных транзисторов, коллекторы первого основного и первого вспомогательного транзисторов, а также катод первого дополнительного диода подключены к положительной шине питания, а эмиттеры второго основного и второго вспомогательного транзисторов, а также анод второго дополнительного диода подключены к отрицательной шине питания, при этом эмиттер первого и коллектор второго основных транзисторов соединены между собой и образуют точку фазы, к которой подключены первый полюс источника тока нагрузки, а также начало первой и конец второй обмоток магнитно-связанного дросселя, второй полюс источника тока нагрузки подключен к общей шине, эмиттер первого и коллектор второго вспомогательных транзисторов соединены между собой, анод первого и катод второго дополнительных диодов образуют точку соединения, к которой подключено начало второй обмотки магнитно-связанного дросселя, между концом первой обмотки магнитно-связанного дросселя и точкой
соединения вспомогательных транзисторов включен дополнительный дроссель.
На Фиг.1 представлено полупроводниковое устройство с мягким переключением.
На Фиг.2 представлена схема прототипа.
На Фиг.3 представлена расчетная осциллограмма мягкого переключения одного из основных транзисторов устройства.
На Фиг.4 представлена расчетная осциллограмма мягкого переключения одного из дополнительных транзисторов устройства.
На Фиг.5 представлена расчетная осциллограмма напряжения на первичной обмотке дросселя.
На Фиг.6 представлена расчетная осциллограмма напряжения на первичной обмотке дросселя при нарушении условий вольт-секундного баланса.
На Фиг.7 представлено полупроводниковое устройство с мягким переключением в трехфазном исполнении.
Полупроводниковое устройство содержит: основной транзистор 1, основной транзистор 2, дополнительный транзистор 3 и дополнительный транзистор 4, при этом каждый из транзисторов содержит коллектор, эмиттер, затвор и встроенный обратно-параллельный диод, положительную 5 и отрицательную 6 шины питания, общую шину 7, источник тока нагрузки 8, одним из полюсов которого является точка фазы 9, магнитно-связанный дроссель 10, включающий первую 11 и вторую 12 обмотки, два дополнительных конденсатора 13 и 14, два дополнительных диода 15 и 16, содержащих каждый анод и катод, дополнительный дроссель 17.
Каждый из дополнительных конденсаторов 13 и 14 подключен между коллектором и эмиттером двух основных транзисторов 1 и 2. Коллекторы транзисторов 1 и 3, а также катод дополнительного диода 15 подключены к положительной шине питания 5, а эмиттеры транзисторов 2 и 4, а также анод дополнительного диода 16 подключены к отрицательной шине питания 6. Эмиттер транзистора 1 соединен с коллектором транзистора 2 и образует точку фазы 9, к которой подключены первый полюс источника тока нагрузки 8, а также начало первой 11 и конец второй 12 обмоток магнитно-связанного дросселя 10, второй полюс источника тока нагрузки 8 подключен к общей шине 7, эмиттер первого 3 и коллектор второго 4 вспомогательных транзисторов соединены между собой, анод первого 15 и катод второго 16 дополнительных диодов образуют точку соединения, к которой подключено начало второй обмотки 12 магнитно-связанного дросселя 10, между концом первой обмотки 11 магнитно-связанного дросселя 10 и точкой соединения вспомогательных транзисторов 3 и 4 включен дополнительный дроссель 17.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
н
Предположим, что ток нагрузки 8 равен I и протекает от общей шины 7 к точке фазы 9. При выключенном основном транзисторе 2 данный ток замыкается на встречно-параллельный диод основного транзистора 1,
который является противофазным по отношению к транзистору 2. При этом дополнительный конденсатор 14 заряжен разностью потенциалов шин питания 5 и 6 до напряжения Е. В свою очередь другой дополнительный конденсатор 13 разряжен практически до нуля.
Перед включением основного транзистора 2, включается дополнительный транзистор 4. При этом открывается дополнительный диод 15 и вторичная обмотка 12 магнитно-связанного дросселя 10 оказывается практически под нулевым напряжением, поскольку встречно-параллельный диод основного транзистора 1 остается открытым. Следовательно, на первичной обмотке 11 также присутствует нулевое напряжение, и изменение тока дополнительного транзистора 4 определяется током в дополнительном дросселе 17 в соответствии с формулой:
К
где L - индуктивность дополнительного дросселя;
s1
s2
L и L - индуктивности рассеяния магнитно-связанного дросселя;
n - отношение количества витков вторичной и первичной обмоток дросселя 10.
Поскольку значения индуктивностей рассеяния весьма сложно контролировать, для точного описания процессов, протекающих в схеме устройства, величину индуктивности дополнительного дросселя 17 следует выбирать из условия:
Изменение тока в обратном диоде транзистора 1 определяется суммарным током, протекающем через обе обмотки 11 и 12 магнитно-связанного дросселя 10:
0
В момент времени Δt, когда суммарный ток обмоток 11 и 12 достигает тока нагрузки, обратный диод транзистора 1 запирается и начинается квазирезонансный процесс перезаряда дополнительных конденсаторов 13 и 14. Математически процесс разряда конденсатора 14 описывается выражением:
где:  - круговая частота квазирезонансного процесса.
доп
Ck=2С - суммарная емкость дополнительных конденсаторов 13 и 14.
K
При этом ток в дросселе L изменяется по закону:
Как следует из формулы (4) условие включения основного транзистора 2 на нулевое напряжение может быть реализовано только при коэффициенте n>1.
После того как напряжение на транзисторе 2 спадает до нуля, открывается его встречно-параллельный диод, который берет на себя разность токов дополнительного дросселя 17 и тока нагрузки. Время спада напряжения на транзисторе 2 можно определить из (4) в соответствии с выражением:
На всем временном интервале Δt1 напряжение на первичной обмотке 11 равно:
w1
При отпирании обратного диода транзистора 2 к вторичной обмотке 12 дросселя 10 прикладывается напряжение шин питания Е. Данное напряжение трансформируется на первичную обмотку 11 и U становится равным:
Таким образом ток дополнительного дросселя 17 начинает уменьшаться по закону:
Напряжение на первичной обмотке 11 в соответствии с формулой (8) остается равным Е/n до тех пор, пока ток в дополнительном дросселе 17 не снизится до практически нулевого значения.
При уменьшении токов в обмотках 11 и 12 магнитно-связанного дросселя 10 уменьшается и ток обратного диода транзистора 2. Включить основной транзистор 2 при нулевом напряжении необходимо прежде, чем ток его обратного диода снизится до нуля. После чего коллекторный ток транзистора 2 начинает нарастать, а скорость его изменения зависит от
величины индуктивности дополнительного дросселя 17 и коэффициента трансформации обмоток магнитно-связанного дросселя 10:
Ток в дополнительном транзисторе 4 на данном этапе уменьшается в соответствии с формулой (9).
При уменьшении тока в дополнительном дросселе 17 до нуля, ток нагрузки полностью переключается на основной транзистор 2. При этом дополнительный транзистор может быть выключен в режиме нулевого тока.
Рассмотрим теперь процесс выключения основного транзистора.
После снятия сигнала управления с основного транзистора 2, его ток быстро спадает. При этом ток нагрузки переходит в дополнительные конденсаторы, заряжая конденсатор 14 и, соответственно, разряжая конденсатор 13. Тогда для напряжения коллектор-эмиттер основного транзистора 2 и конденсатора 14 можно записать:
доп
При соответствующем выборе емкости дополнительного конденсатора (обычно С выбирают от 0.1 мкФ до 0.47 мкФ), фронт нарастания напряжения на основном транзисторе 2 значительно отстает от фронта спада его тока. При этом можно говорить о мягком выключении данного транзистора на нулевое напряжение.
Через интервал времени:
происходит заряд конденсатора 14 до напряжения Е и разряд конденсатора 13 до нуля. При этом включается встречно-параллельный диод основного транзистора 1, на который начинает вновь замыкаться ток нагрузки.
Полученные результаты показывают, что условия переключения основного транзистора на нулевое напряжение определяются параметрами дополнительных элементов: коэффициентом трансформации обмоток магнитно-связанного дросселя, индуктивностью дополнительного дросселя, емкостью дополнительных конденсаторов. Известное значение индуктивности дополнительного дросселя 17 позволяет дать точную количественную оценку процессам мягкого переключения, а условие (2) компенсирует влияние разброса значений индуктивностей рассеяния.
Как отмечалось ранее, при включении обратного диода основного транзистора 2 к обмоткам 11 и 12 магнитно-связанного дросселя 10 начинает прикладываться напряжение положительной полярности относительно начала данных обмоток. По мере разряда дополнительного конденсатора 14 данное напряжение нарастает и достигает уровней, равных Е для вторичной и Е/n для первичной обмотки дросселя 10. Далее эти напряжения остаются
неизменными до тех пор, пока ток в дополнительном дросселе 17 не спадет до практически нулевого значения.
Приложенные к обмоткам 11 и 12 напряжения вызывают увеличение тока Iμ в индуктивности намагничивания сердечника магнитно-связанного дросселя 10. Ток намагничивания Iμ совпадает по направлению с током первичной обмотки 11. Поэтому более точным является утверждение, что действие положительных напряжений Е и Е/n на соответствующих обмотках дросселя 10 заканчивается, когда ток в дополнительном дросселе 17 спадает до значения данного тока намагничивания. При этом дополнительный диод 15 запирается, а остаточный ток намагничивания начинает циркулировать в контуре, образованном открытыми транзисторами - основным 2 и дополнительным 4, и включающим в себя первичную обмотку 11 дросселя 10 и дополнительный дроссель 17. Ток намагничивания при этом протекает навстречу току нагрузки. При последующем выключении указанных транзисторов 2 и 4, ток намагничивания переходит в контур: вторичная обмотка 12, дополнительный диод 15, встречно-параллельный диод основного транзистора 1, т.е по-прежнему течет навстречу току нагрузки, который теперь замкнут на указанный встречно-параллельный диод.
Данные рассуждения показывают, что в устройстве необходимо обеспечить условия перемагничивания сердечника магнитно-связанного дросселя 10 для исключения возможности его насыщения.
При применении устройства в импульсных регуляторах с двухтактным режимом переключения основных транзисторов 1 и 2 каждые полпериода частоты коммутации данных транзисторов на обмотках магнитно-связанного дросселя 10 возникают одинаковые импульсы напряжений противоположной полярности. Тем самым обеспечивается необходимый вольт-секундный баланс напряжений на данных обмотках.
Совершенно иная картина наблюдается при использовании устройства в автономных инверторах напряжения. Здесь необходимо проводить многократную коммутацию тока нагрузки с противофазного диода на один и тот же основной транзистор в течение целого полупериода при относительно низкой выходной частоте инвертора. Очевидно, что при этом будет многократно возрастать и величина тока намагничивания. Все это приводит к искажению токов фаз инвертора и срыву режимов мягкого переключения.
Необходимый вольт-секундный баланс может быть обеспечен в рассматриваемом устройстве за счет выбора соответствующего соотношения между емкостями дополнительных конденсаторов и величиной индуктивности введенного дополнительного дросселя. Дело в том, что при использовании дополнительных конденсаторов 13 и 14 на обмотках 11 и 12 магнитно-связанного дросселя 10 появляются напряжения отрицательной полярности. Эти напряжения возникают на этапе перезаряда дополнительных конденсаторов током нагрузки при выключении основного и дополнительного транзистора устройства.
Действительно, после выключения основного транзистора 2 ток нагрузки начинает заряжать дополнительный конденсатор 14. При этом открывается диод 16 и к вторичной обмотке 12 прикладывается напряжение отрицательной полярности относительно начала обмотки:
С учетом заряда конденсатора 14 практически постоянным током нагрузки для первичной обмотки 11 получаем линейно нарастающее напряжение:
Напряжение на закрытом дополнительном транзисторе 4 изменяется при этом по закону:
3
кэ
В момент времени Δt, когда U доп достигает величины напряжения между шинами питания 5 и 6 равного Е, открывается встречно-параллельный диод дополнительного транзистора 3 и к первичной обмотке 11 прикладывается напряжение:
3
кэ
доп
Для интервала времени Δt из уравнения (15) с учетом того, что U=Е, получаем:
Тогда уравнение (16) можно переписать в виде:
Из данного уравнения следует, что отрицательное напряжение на первичной обмотке 11, достигнув максимального значения равного , начинает линейно спадать.
w1
3
4
4
w1
Если ток намагничивания сердечника дросселя 10 поддерживает открытое состояние встречно-параллельного диода дополнительного транзистора 3 до конца линейного спада напряжения U, то форма отрицательного напряжения на первичной обмотке 11 будет иметь треугольную форму с амплитудой  и основанием Δt+Δt по времени, где Δt - время линейного спада напряжения U до нулевого уровня:
4
Если до окончания временного интервала Δt магнитный сердечник дросселя 10 восстанавливает свое исходное состояние, при котором ток
w1
намагничивания снижается до нуля, то обратный диод транзистора 3 закрывается, а напряжение U быстро спадает к нулю.
Определим вольт-секундный баланс напряжения на первичной обмотке 11 при мягком включении и мягком выключении основного транзистора 2.
На интервале мягкого включения основного транзистора 2 с учетом формул (7) и (8) для положительного напряжения на первичной обмотке 11 получаем следующее значение интеграла по времени:
На интервале мягкого выключения основного транзистора 2 в соответствии с (14) и (18) для отрицательного напряжения на первичной обмотке 11 получаем следующее значение интеграла по времени:
н
н
Полученные уравнения (20) и (21) показывают, что оба интеграла зависят от напряжения питания устройства Е и тока нагрузки I. При этом значение  уменьшается с ростом тока нагрузки, а значение  увеличивается. Значение  не может быть больше , т.к. само значение  определяется наличием тока намагничивания сердечника магнитно-связанного дросселя 10. Поэтому для исключения эффекта намагничивания сердечника необходимо обеспечить вольт-секундный баланс при максимальном токе нагрузки. Для меньших значений I вольт-секундный баланс будет поддерживаться автоматически.
K
K
Т.о., приравнивая значения (20) и (21) при известном максимальном токе нагрузки, можно выбрать необходимые параметры дополнительных элементов устройства: n; L; С, при которых не происходит насыщения сердечника дросселя 10.
Динамические процессы в дополнительных транзисторах рассматриваемого устройства также носят мягкий характер, поскольку изменение тока в указанных транзисторах определяется плавным изменением тока в индуктивности дополнительного дросселя. В дополнительных транзисторах 3 и 4 не происходит предварительного разряда их выходных емкостей перед включением, что в общем случае ведет к добавочным потерям. Однако, поскольку работа данных транзисторов происходит на относительно коротких временных интервалах, то используются приборы, среднее значение тока которых меньше, чем для основных транзисторов. По этой причине и выходные емкости дополнительных транзисторов значительно меньше, чем у основных.
С изменением направления тока нагрузки, т.е. при его протекании от точки фазы 9 к общей шине 7, при выключенном основном транзисторе 1
данный ток будет замыкаться на встречно-параллельный диод основного транзистора 2. Аналогично рассмотренным этапам мягкого переключения основного транзистора 2 теперь можно проводить мягкую коммутацию тока нагрузки при переключении основного транзистора 1. Для этого перед включением транзистора 1 отпирают дополнительный транзистор 3, и в предложенном устройстве протекают процессы симметричные ранее рассмотренным, приводящие к включению основного транзистора 1 при нулевом напряжении.
Представленное устройство обеспечивает мягкую коммутацию тока нагрузки для отдельной фазы. Поскольку рассмотренные процессы носят автономный характер, с помощью трех аналогичных устройств могут быть обеспечены условия мягкого переключения для шести ключей в трехфазной схеме (Фиг.7).
Пример конкретного исполнения предложенного устройства.
Напряжение источника питания: Е=540 В.
н
Ток нагрузки: I=50А.
Основные транзисторы: тип PT-IGBT, класс напряжения 1200 В, средний ток коллектора 100 А, напряжение насыщения 2,4 В, выходная емкость 1нФ.
Дополнительные транзисторы: тип PT-IGBT, класс напряжения 1200 В , средний ток коллектора 40 А, импульсный ток коллектора 200 А, напряжение насыщения 2,3 В, выходная емкость 0,2нФ.
Дополнительные диоды: класс напряжения 1200 В, средний ток анода 40 А, импульсный ток анода 200 А, прямое напряжение 2,1 В, время обратного восстановления 200нс.
μ
s1
s2
Магнитно-связанный дроссель: коэффициент трансформации обмоток n=1,4; индуктивность намагничивания L=500 мкГн; индуктивность рассеяния L=125нГн; индуктивность рассеяния L=250нГн.
Дополнительные конденсаторы: емкость 270нФ, напряжение 630 В.
Дополнительный дроссель: индуктивность 2.5 мкГн.
В программе расчета электронных схем PSpice проведено моделирование предложенного устройства.
На Фиг.3 представлена расчетная осциллограмма мягкого переключения одного из основных транзисторов устройства.
Масштаб по вертикали:
Напряжение - 200 В/дел.
Ток - 50А/дел.
Масштаб по горизонтали:
Время - 5 мкс/дел.
На Фиг.4 представлена расчетная осциллограмма мягкого переключения одного из дополнительных транзисторов устройства.
Масштаб по вертикали:
Напряжение - 200 В/дел.
Ток - 50 А/дел.
Масштаб по горизонтали:
Время - 5 мкс/дел.
На Фиг.5 представлена расчетная осциллограмма напряжения на первичной обмотке магнитно-связанного дросселя. Для выбранных номиналов дополнительных элементов устройства выполняется условие вольт-секундного баланса.
Масштаб по вертикали:
Напряжение - 200 В/дел.
Масштаб по горизонтали:
Время - 5 мкс/дел.
На Фиг.6 представлена расчетная осциллограмма напряжения на первичной обмотке магнитно-связанного дросселя. Условие вольт-секундного баланса нарушено, поскольку емкость дополнительного конденсатора составляет в данном случае 150нФ, что меньше требуемой величины.
Масштаб по вертикали:
Напряжение - 200 В/дел.
Масштаб по горизонтали:
Время - 5 мкс/дел.
Принцип работы устройства и критерии мягкого переключения не изменяются при применении других типов транзисторов (биполярных, индукционных, МДП).