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.
Известна схема полупроводникового устройства, в которой обеспечивается мягкое выключение основных транзисторов при нулевом токе с помощью дополнительных ключей и последовательного L-C контура (см. US 5486752, 23.01.1996).
Недостатком данного изобретения является то, что включение основных транзисторов остается жестким, что значительно увеличивает динамические потери в схеме.
Известны технические решения, в которых частично решается указанная проблема без изменения топологии схемы, но за счет дополнительного переключения вспомогательных транзисторов.
Наиболее близким по технической сути является решение (см. US 6337801 В2, 08.01.2002, Fig. la), включающее два основных и два дополнительных транзистора, содержащие каждый коллектор, эмиттер, затвор и встроенный обратно-параллельный диод, а также последовательный L-C контур и источник тока нагрузки, соединенные между собой таким образом, что коллекторы первого основного и первого дополнительного транзисторов подключены к положительной шине питания, а эмиттеры второго основного и второго дополнительного транзисторов подключены к отрицательной шине питания, при этом эмиттер первого и коллектор второго основных транзисторов соединены между собой и образуют точку фазы, к которой подключен первый полюс источника тока нагрузки, второй полюс которого подключен к общей шине, эмиттер первого и коллектор второго дополнительных транзисторов образуют точку соединения, между которой и точкой фазы включен последовательный L-C контур.
В указанном решении обеспечивается мягкое включение на нулевое напряжение и мягкое выключение на нулевой ток как основных, так и дополнительных транзисторов. Однако мягкое включение основных транзисторов на нулевое напряжение основано на использовании инерционных свойств их противофазных диодов и не является устойчивым при увеличении тока нагрузки. При этом скорость изменения напряжения на основных транзисторах является относительно большой, что приводит к дополнительным потерям мощности на этапах динамического насыщения и остаточного тока. Еще одним недостатком данной схемы являются высокочастотные помехи по напряжению, возникающие при выключении основных транзисторов.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в следующем:
1. Условия мягкого переключения основных транзисторов при широком изменении тока нагрузки обеспечивается выбором необходимых номиналов вспомогательных элементов схемы в соответствии с другими установленными критериями.
2. Снижение динамических потерь в основных транзисторах на этапах установления обеспечивается относительно медленным изменением фронта напряжения на данных транзисторах как при включении, так и при выключении за счет подключения дополнительных конденсаторов.
3. Уменьшение дополнительных потерь проводимости в основных и дополнительных транзисторах обеспечивается за счет снижения амплитуды тока в обратных диодах данных транзисторов на этапах их мягкого выключения при применении дополнительных конденсаторов.
4. Исключение высокочастотных помех при выключении основных транзисторов обеспечивается изменением резонансной частоты между выходными емкостями данных транзисторов и элементами последовательного L-C контура схемы при подключении дополнительных конденсаторов.
Технический результат достигается тем, что в полупроводниковое устройство, включающее два основных и два дополнительных транзистора, содержащих каждый коллектор, эмиттер, затвор и встроенный обратно-параллельный диод, а также последовательный L-C контур и источник тока нагрузки, соединенных между собой таким образом, что коллекторы первого основного и первого дополнительного транзисторов подключены к положительной шине питания, а эмиттеры второго основного и второго дополнительного транзисторов подключены к отрицательной шине питания, при этом эмиттер первого и коллектор второго основных транзисторов соединены между собой и образуют точку фазы, к которой подключен первый полюс источника тока нагрузки, второй полюс которого подключен к общей шине, эмиттер первого и коллектор второго дополнительных транзисторов образуют точку соединения, между которой и точкой фазы включен последовательный L-C контур, введены два дополнительных конденсатора, каждый из которых подключен между коллектором и эмиттером основных транзисторов.
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 основных транзисторов без дополнительных конденсаторов в устройстве.
На Фиг.5 представлена расчетная осциллограмма мягкого переключения одного из дополнительных транзисторов устройства.
На Фиг.6 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, последовательный L-C контур 10, содержащий дроссель 11 и конденсатор 12, два дополнительных конденсатора 13 и 14, включенных параллельно основным транзисторам 1 и 2.
Коллекторы транзисторов 1 и 3 подключены к положительной шине питания 5, а эмиттеры транзисторов 2 и 4 подключены к отрицательной шине питания 6. Эмиттер транзистора 1 соединен с коллектором транзистора 2 и образует точку фазы 9, к которой подключен первый полюс источника тока нагрузки 8, второй полюс которого подключен к общей шине 7. Эмиттер дополнительного транзистора 3 и коллектор дополнительного транзистора 4 образуют точку соединения, между которой и точкой фазы 9 включен последовательный L-C контур 10.
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.
+
0
Перед тем как включиться основному транзистору 2, включается дополнительный транзистор 3. Конденсатор 12 контура 10 заряжен до начального напряжения U  с положительной полярностью на его левой обкладке. Указанное начальное напряжение соответствует неравенству:
где ρ - характеристическое сопротивление L-C контура 10.
Начинается колебательный процесс нарастания тока в контуре 10. При достижении данным током своего максимума происходит смена полярности напряжения на конденсаторе 12 контура. Половину периода резонансной частоты ток контура совпадает по направлению с током нагрузки, а затем изменяет направление на противоположное. Когда ток контура достигает значения тока нагрузки. происходит выключение встречно-параллельного диода транзистора 1. При этом напряжение на конденсаторе 12 оказывается равным:
обр
L
н
обр
Если учитывать инерционные свойства данного диода, то в момент его запирания ток в индуктивности 11 контура 10 будет больше тока нагрузки на величину обратного тока диода ΔI, т.е. I=I+ΔI Поскольку выполняется равенство:
кэ
где: U - напряжение на основном транзисторе;
кэ
вых
доп
С=2·(С+С) - суммарная выходная емкость между коллектором и эмиттером основного транзистора 2 (в общем случае это сумма собственных выходных емкостей обоих основных транзисторов плюс емкости дополнительных конденсаторов);
то, используя конечные приращения, уравнение (3) можно переписать в виде:
p
где Δt - время разряда выходной емкости основного транзистора.
обр
кэ
вых
Согласно равенству (4) заряд обратного восстановления диода Q обеспечивает изменение зарядов выходных емкостей основных транзисторов. При этом выходная емкость транзистора 1 заряжается, а выходная емкость транзистора 2 разряжается. Данный критерий использован в схеме прототипа для обеспечения включения основного транзистора на нулевое напряжение. Учитывая относительно малое значение заряда обратного восстановления, условие мягкого включения транзистора 2 обеспечивается только при минимальных значения выходных емкостей транзисторов, т.е. С=2·С., и исключается возможность подключения дополнительных конденсаторов. Это в свою очередь приводит к большой скорости изменения напряжения на транзисторе 2 перед включением. Следовательно, внутри структуры транзистора непосредственно перед включением сохраняется высокая напряженность электрического поля, что ведет к увеличению остаточного напряжения на транзисторе на этапе динамического насыщения, а значит и к увеличению динамических потерь.
Учитывая тенденцию к улучшению динамических свойств встречно-параллельных диодов, при которой заряд обратного восстановления данных диодов непрерывно уменьшается (вплоть до нулевого значения при применении карбид-кремниевых структур), применение данного критерия ведет к неустойчивости мягкого переключения основных транзисторов устройства.
Для решения проблемы предлагается использовать другой критерий включения на нулевое напряжение, основанный на поддержании соответствующего уровня напряжения на конденсаторе 12 контура 10. Установлено, что выходная емкость основного транзистора 2 полностью разряжается (соответственно выходная емкость основного транзистора 1 полностью заряжается до напряжения источника питания) с помощью квазирезонансного процесса, если в индуктивности 11 контура 10 накоплена
L
н
ск
энергия не менее той, что соответствует току нагрузки (т.е. I=I), а напряжение на конденсаторе 12 U(t) контура 10 на всем интервале разряда выходной емкости транзистора 2 удовлетворяет неравенству:
кэ
где U(0) - начальное напряжение на выходной емкости основного транзистора.
кэ
Учитывая, что U(0)=E, условие (5) можно переписать в виде:
Т.о. напряжение на конденсаторе 12 контура 10 на всем интервале разряда выходной емкости транзистора 2 должно оставаться на уровне не менее половины от величины напряжения питания устройства.
Полученный критерий мягкости включения транзистора 2 позволяет использовать дополнительные конденсаторы в выходной цепи основных транзисторов.
Подключение дополнительных конденсаторов соответствующей емкости позволяет значительно снизить скорость изменения напряжения на основном транзисторе перед включением, что в свою очередь снижает амплитуду напряжения динамического насыщения.
После полного разряда выходной емкости транзистора 2 его можно включить при нулевом напряжении.
Напряжение на конденсаторе 12 контура 10 после полного разряда выходной емкости транзистора 2 становится равным:
р
где ΔU - изменение напряжения на конденсаторе 12 контура 10 на интервале Δt разряда суммарной выходной емкости транзистора 2, определяемой как сумма собственных выходных емкостей обоих основных транзисторов плюс емкость дополнительных конденсаторов.
Ток в дросселе 11 контура 10 после полного разряда выходной емкости транзистора 2 становится равным:
p
где ΔI - изменение тока в дросселе 11 контура 10 на интервале Δt разряда суммарной выходной емкости транзистора 2.
При отсутствии дополнительных конденсаторов величины ΔU и ΔI можно считать практически равными нулю.
При подключении дополнительных конденсаторов:
где: ;
к
к
L, С - индуктивность и емкость последовательного LC-контура;
кэ
вых
доп
С=2·(С+С)
После включения основного транзистора 2 на нулевое напряжение ток в дросселе 11 контура 10 начинает уменьшаться, а соответственно ток транзистора 2 - нарастать. Когда ток основного транзистора 2 достигает тока нагрузки, ток дросселя 11 становится равным нулю. Напряжение на конденсаторе 12 контура 10 при этом оказывается равным:
Поскольку полярность напряжения на конденсаторе 12 контура 10 изменилась на обратную по сравнению с первоначальной, то при включении в соответствующий момент времени дополнительного транзистора 4 можно обеспечить выключение основного транзистора 2 при нулевом токе, если выполняется условие:
При этом ток колебательного контура 10 начинает нарастать встречно току нагрузки, проходящему через открытый транзистор 2. В момент равенства тока контура и тока нагрузки включается встречно-параллельный диод основного транзистора 2, через который затем протекает разность указанных токов. Очевидно, что выключение транзистора 2 необходимо провести до того как вновь наступит равенство данных токов.
0
+
Отметим, что в момент времени, когда ток контура достигает максимального значения, напряжение на конденсаторе 12 вновь изменяет свою полярность и затем увеличивается. Однако уровень данного напряжения значительно ниже первоначального, равного U .
Для обеспечения устойчивости циклов мягкого переключения основного транзистора 2 необходимо поднять уровень данного напряжения до исходной величины. С этой целью при выключении основного транзистора 2 на нулевом токе дополнительный транзистор 4 оставляют открытым. Ток в L-C контуре в момент выключения основного транзистора 2 равен току нагрузки. Противофазный диод транзистора 1 остается в выключенном состоянии, поскольку напряжение на конденсаторе 12 контура 10 много меньше напряжения между шинами питания. Т.о. единственный путь для замыкания тока нагрузки - через последовательный L-C контур. При этом ток нагрузки начинает заряжать конденсатор 12. Когда напряжение на указанном конденсаторе достигает напряжения питания, открывается встречно-параллельный диод транзистора 1, а в колебательном контуре 10 начинается резонансный процесс, после которого напряжение на конденсаторе 12 устанавливается равным начальному:
Отметим, что в процессе заряда конденсатора 12 током нагрузки одновременно происходит заряд выходной емкости транзистора 2 и разряд выходной емкости транзистора 1. Если не подключать дополнительных конденсаторов к выходу основных транзисторов, процесс перезаряда их собственных емкостей происходит на уровне сильных помех, обусловленных высокочастотным резонансом между данными емкостями и индуктивностью дросселя 11 контура 10. Применение дополнительных конденсаторов 13 и 14 соответствующей емкости позволяет практически исключить указанные помехи.
+
0
После определения начального напряжения U  на конденсаторе 12 можно выбрать значения дополнительных L-C элементов схемы, при которых будет выполняться критерий включения основных транзисторов на нулевое напряжение и критерий их выключения на нулевой ток.
Используя уравнения (2) и (6) можно установить, что при отсутствии дополнительных конденсаторов в схеме критерий нулевого напряжения выполняется, если характеристическое сопротивление контура 10  удовлетворяет условию:
В соответствии с (7), введение в устройство дополнительных конденсаторов приводит к большему разряду конденсатора 12 контура 10 на этапе квазирезонансного перезаряда данных конденсаторов 13 и 14 перед включением основного транзистора 2. Тем самым выполнение критерия (6) усложняется. Это требует большего снижения характеристического сопротивления контура 10, чем установлено неравенством (14). Чем больше емкость дополнительных конденсаторов, тем меньшее данное сопротивление. С достаточной точностью взаимосвязь значений дополнительных L-C элементов устройства при этом можно определить формулой:
С другой стороны, согласно уравнению (12) критерий нулевого тока выполняется, если характеристическое сопротивление контура удовлетворяет условию:
Таким образом необходимо выбрать меньшее значение сопротивления ρ из формул (15) и (16), чтобы выполнялись оба из критериев мягкого переключения.
Чем больше ток нагрузки, тем сложнее выполнить критерии мягкого переключения. Поэтому выбор номиналов дополнительных элементов схемы, удовлетворяющих указанным ограничениям, следует проводить для
максимального тока нагрузки. Для всех других значений тока ниже максимального условия мягкого переключения основных транзисторов будут выполняться автоматически.
Динамические процессы в дополнительных транзисторах рассматриваемого устройства также носят мягкий характер, поскольку изменение тока в указанных транзисторах определяется плавным изменением тока в колебательном L-C контуре. 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.
Применение дополнительных конденсаторов 13 и 14 приводит к большему разряду конденсатора 12 контура 10. С одной стороны это несколько усложняет выполнение критерия выключения основного транзистора на нулевой ток, но с другой стороны значительно снижает дополнительные потери проводимости в основных и дополнительных транзисторах, поскольку одновременно снижаются амплитуды токов в обратных диодах данных транзисторов на этапах их мягкого выключения.
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 4, и в предложенном устройстве протекают процессы симметричные ранее рассмотренным, приводящие к включению основного транзистора 1 при нулевом напряжении. Далее перед выключением основного транзистора 1 включают дополнительный транзистор 3, что обеспечивает условия для выключения транзистора 1 при нулевом токе.
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.6).
Пример конкретного исполнения предложенного устройства.
Напряжение источника питания Е=320 В.
н
Ток нагрузки I=100 А.
Основные транзисторы - тип PT-IGBT, класс напряжения 600 В, средний ток коллектора 200 А, напряжение насыщения 2,5 В, выходная емкость 1нФ.
Дополнительные транзисторы - тип PT-IGBT, класс напряжения 600 В, средний ток коллектора 50 А, импульсный ток коллектора 400 А, напряжение насыщения 2,5 В, выходная емкость 0,2нФ.
Дроссель последовательного контура - индуктивность 0.58 мкГн.
Конденсатор последовательного контура - емкость 1 мкФ, напряжение 630 В.
Дополнительные конденсаторы - емкость 100нФ, напряжение 630 В.
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 - 100 В/дел.
Ток - 100 А/дел.
Масштаб по горизонтали:
Время - 2 мкс/дел.
На Фиг.4 представлена расчетная осциллограмма мягкого переключения одного из основных транзисторов при отсутствии дополнительных конденсаторов в устройстве (аналогично схеме прототипа). Включение основного транзистора в данном случае проходит с большой скоростью dV/dt, а в процессе выключения наблюдаются высокочастотные паразитные колебания. Отметим, что поскольку выходная емкость основного транзистора в данном решении относительно мала, то и конденсатор 12 сохраняет больший заряд перед выключением основного транзистора Хотя это и облегчает выполнение критерия выключения на нулевой ток, однако приводит к большому обратному току через основной транзистор.
Масштаб по вертикали:
Напряжение - 100 В/дел.
Ток - 100 А/дел.
Масштаб по горизонтали:
Время - 2 мкс/дел.
На Фиг.5 представлена расчетная осциллограмма мягкого переключения одного из дополнительных транзисторов устройства.
Масштаб по вертикали:
Напряжение - 100 В/дел.
Ток - 100 А/дел.
Масштаб по горизонтали:
Время - 2 мкс/дел.
Принцип работы устройства и критерии мягкого переключения не изменяются при применении других типов транзисторов (биполярных, индукционных, МДП).