БАЗОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ СИЛОВОГО МОДУЛЯ
BASIC ELEMENT OF POWER MODULE

Предложение относится к силовой электронике, в частности к преобразователям электрической энергии с пониженными потерями мощности в полупроводниковых ключевых элементах и может быть использовано для создания энергоэффективных силовых модулей, применяемых в автономных инверторах и импульсных регуляторах.
Известна базовая схема коммутации на двух полупроводниковых приборах, включенных встречно - последовательно, с выводом средней точки соединенных вместе катодов (эмиттеров или истоков) (Макмарри У. Топология схем энергетической электроники. ТИИЭР, т. 76, №4, 1988. стр. 142, Фиг. 2). Недостатком данного решения является жесткий режим переключения и большие потери мощности при коммутации.
Наиболее близким по технической сути к заявляемому решению является базовый элемент силового модуля (RU 169427 U1, 16.03 2017), содержащий первый, второй и третий силовые выводы, основной ключ со встречно-параллельным диодом, противофазный диод, выполненный в виде последовательного соединения первого и второго составного диода, вспомогательный ключ и дополнительный диод, при этом основной ключ и противофазный диод соединены последовательно, вывод основного ключа, соединенный с катодом его встречно-параллельного диода подключен к первому силовому выводу, анод первого составного диода подключен ко второму силовому выводу, а точка соединения основного ключа с противофазным диодом подключена к третьему силовому выводу, первый внешний вывод вспомогательного ключа подключен к точке соединения первого и второго составного диода, а катод дополнительного диода подключен к точке соединения основного ключа с противофазным диодом.
В устройстве прототипа обеспечивается мягкий режим переключения базового элемента и пониженные потери мощности при коммутации. Недостатком данного решения является необходимость применения дополнительных резонансных компонентов - дросселей и конденсаторов, усложняющих схему и повышающих ее габариты.
Технической задачей предлагаемого решения является снижение энергии динамических потерь в базовом элементе силового модуля.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в том, что все полупроводниковые ключи и диоды, причем как основные, так и вспомогательные переключаются при нулевых напряжениях и токах. При этом энергия (мощность) коммутационных потерь в схеме снижается практически до нуля. В качестве элементов, обеспечивающих нулевые токи и напряжения, используются исключительно внутренние резонансные компоненты конструкции.
Указанный технический результат достигается тем, что базовый элемент силового модуля содержит первый, второй и третий силовые выводы, основной ключ со встречно-параллельным диодом, противофазный диод, выполненный в виде последовательного соединения первого и второго составного диода, вспомогательный ключ и дополнительный диод, при этом основной ключ и противофазный диод соединены последовательно, вывод основного ключа, соединенный с катодом его встречно-параллельного диода подключен к первому силовому выводу, анод первого составного диода подключен ко второму силовому выводу, а точка соединения основного ключа с противофазным диодом подключена к третьему силовому выводу, первый внешний вывод вспомогательного ключа подключен к точке соединения первого и второго составного диода, а катод дополнительного диода подключен к точке соединения основного ключа с противофазным диодом. Второй внешний вывод вспомогательного ключа через первую проводящую шину подключен к первому силовому выводу, а анод дополнительного диода через вторую проводящую шину подключен к точке соединения первого и второго составного диода, при этом распределенные индуктивности первой и второй проводящих шин являются магнитно-связанными.
Сущность предложенного решения и его технический результат поясняются соответствующими чертежами.
На Фиг. 1 представлен базовый элемент силового модуля.
На Фиг. 2 представлена схема коммутации непрерывного тока нагрузки с базовым элементом.
На Фиг. 3 представлен базовый элемент силового модуля во втором варианте исполнения.
На Фиг. 4 представлен базовый элемент силового модуля в третьем варианте исполнения.
На Фиг. 5 представлен базовый элемент силового модуля в четвертом варианте исполнения.
На Фиг. 6 представлен базовый элемент силового модуля с нижним уровнем подключения основного ключа в первом варианте исполнения.
На Фиг. 7 представлен базовый элемент силового модуля с нижним уровнем подключения основного ключа во втором варианте исполнения.
На Фиг. 8 представлен базовый элемент силового модуля с нижним уровнем подключения основного ключа в третьем варианте исполнения.
На Фиг. 9 представлен базовый элемент силового модуля с нижним уровнем подключения основного ключа в четвертом варианте исполнения.
На Фиг. 10 представлена схема полумоста на двух базовых элементах: с верхним и нижним уровнем подключения основного ключа.
На Фиг. 11 представлена схема трехуровневого полумоста с фиксированной нейтралью на четырех базовых элементах.
На Фиг. 12 представлены диаграммы коммутации основного ключа в составе базового элемента в переходном процессе включения.
На Фиг. 13 представлены диаграммы коммутации основного ключа в составе базового элемента в переходном процессе выключения.
На Фиг. 14 представлены диаграммы коммутации вспомогательного ключа в составе базового элемента в переходном процессе включения.
На Фиг. 15 представлены диаграммы коммутации вспомогательного ключа в составе базового элемента в переходном процессе выключения.
Базовый элемент силового модуля (Фиг. 1) содержит первый 1, второй 2 и третий 3 силовые выводы, основной ключ со встречно-параллельным диодом 4, противофазный диод 5, выполненный в виде последовательного соединения первого 6 и второго 7 составного диода, вспомогательный ключ 8 и дополнительный диод 9, основной ключ 4 и противофазный диод 5 соединены последовательно, вывод основного ключа 4, соединенный с катодом его встречно-параллельного диода подключен к первому силовому выводу 1, анод первого составного диода 6 подключен ко второму силовому выводу 2, точка соединения основного ключа 4 с противофазным диодом 5 подключена к третьему силовому выводу 3, первый внешний вывод вспомогательного ключа 8 подключен к точке соединения первого 6 и второго 7 составного диода, а катод дополнительного диода 9 подключен к точке соединения основного ключа 4 с противофазным диодом 5.
Второй внешний вывод вспомогательного ключа 8 через первую проводящую шину 10 подключен к первому силовому выводу 1, а анод дополнительного диода 9 через вторую проводящую шину 11 подключен к точке соединения первого 6 и второго 7 составного диода, при этом распределенные индуктивности первой 10 и второй 11 проводящих шин являются магнитно-связанными.
Рассмотрим работу заявляемого устройства на примере схемы коммутации непрерывного тока нагрузки Фиг. 2 с базовым элементом в соответствие с Фиг. 1.
Источник напряжения, питающий схему Фиг. 2, подключен между силовыми выводами базового элемента 1 и 2, и обозначен на схеме символом Е. Непрерывный ток нагрузки Iн, задается источником тока, подключенным между силовыми выводами базового элемента 2 и 3.
На схеме дополнительно показаны распределенные индуктивности проводящих шин 10 и 11, приведенное значение которых равно L, а также собственные выходные емкости основного ключа 4, и составного диода 7, обозначенные как С4 и С7, соответственно.
Конструктивно шины 10 и 11 выполняются как близко расположенные проводники, в качестве одиночного витка пересекающие окно общего магнитного сердечника. При этом взаимная индуктивность проводящих шин 10 и 11 M=L.
Пусть в начальный момент времени основной ключ 4 и вспомогательный ключ 8 находятся в разомкнутом состоянии. Тогда ток нагрузки Iн протекает по цепи открытых составных диодов 6 и 7 противофазного диода 5. Начальное напряжение на выходной емкости С4 основного ключа 4, равно при этом значению Е. Поскольку составной диод 7 открыт, начальное напряжение на емкости С7 равно нулю. При разомкнутом вспомогательном ключе 8 начальные значения токов в индуктивностях проводящих шин 10 и 11 равны нулю.
В начале цикла коммутаций происходит замыкание вспомогательного ключа 8.
Длительность полного цикла коммутаций в базовом элементе можно разделить на следующие интервалы:
1. Интервал линейного нарастания тока в индуктивности L проводящей шины 10.
При замыкании вспомогательного ключа 8 через открытый составной диод 6 к проводящей шине 10 подключается напряжение Е, вызывая линейное нарастание тока в индуктивности шины L и, соответственно, во вспомогательном ключе 8, обеспечивая тем самым снижение напряжения на вспомогательном ключе 8 в режиме нулевого тока:
L
8
где I - ток в индуктивности шины 10; I - ток вспомогательного ключа 8.
Через интервал времени Δt1 ток в индуктивности шины 10 достигает значения тока нагрузки Iн, и первый составной диод 6 запирается:
2. Интервал разряда выходной емкости С4 основного ключа 4 и его отпирания при нулевом напряжении.
После запирания первого составного диода 6 в схеме начинается колебательный процесс разряда выходной емкости С4 по цепи проводящей шины 10 через замкнутый вспомогательный ключ 8 и открытый второй составной диод 7. При этом ток в индуктивности L проводящей шины 10 будет увеличиваться, а напряжение на емкости С4 и основном ключе 4 спадать:
4
где  - волновое сопротивление резонансного контура, образованного емкостью С4 и индуктивностью L проводящей шины 10;  - круговая частота резонансного процесса в контуре; U - напряжение на основном ключе 4.
Через интервал времени Δt2 напряжение на емкости С4 и, соответственно, на основном ключе 4, спадает до нуля. При этом включается встречно-параллельный диод основного ключа 4, через который начинает замыкаться избыточный ток ΔI, накопленный в индуктивности L проводящей шины 10 при разряде выходной емкости С4:
После разряда выходной емкости С4 основной ключ 4 отпирается в режиме нулевого напряжения.
3. Интервал сброса энергии, накопленной в индуктивности L первой проводящей шины 10 в переходном процессе отпирания основного ключа 4.
При размыкании вспомогательного ключа 8, ток нагрузки Iн переключается в основной ключ 4. За счет магнитной связи между индуктивностями проводящих шин 10 и 11 отпирается дополнительный диод 9, и в индуктивности L проводящей шины 11 наводится ток, равный по величине току, накопленному в индуктивности L проводящей шины 10 к концу второго интервала Δt2 цикла коммутаций:
3
После появления тока в индуктивности L проводящей шины 11 второй составной диод 7 запирается, и между индуктивностью L проводящей шины 11 и выходной емкостью С7 второго составного диода 7 начинается колебательный процесс. Длительность интервала Δt определяется открытым состоянием дополнительного диода 9, при котором через дополнительный диод 9 протекает ток в положительном направлении:
3
В конце интервала Δt энергия, запасенная в индуктивности L проводящей шины 11, перетекает в выходную емкостью С7 второго составного диода 7, находящегося в запертом состоянии. После запирания дополнительного диода 9 на емкости С7 второго составного диода 7 устанавливается обратное напряжение:
где  - волновое сопротивление резонансного контура, образованного выходной емкостью С7 составного диода 7 и индуктивностью L проводящей шины 11.
Отметим, что плавное нарастание напряжения на выходной емкости С7 второго составного диода 7 при замкнутом основном ключе 4 обеспечивает запирание вспомогательного ключа 8 при нулевом напряжении.
4. Интервал проводимости основного ключа 4.
И
Интервал проводимости основного ключа 4, называемый длительностью импульса Δt задается соответствующим алгоритмом управления схемой. При этом ток нагрузки Iн протекает по цепи основного ключа 4, запасая энергию от источника питания схемы Е.
5. Интервал запирания основного ключа 4 при нулевом токе.
И
Данный интервал начинается при замыкании вспомогательного ключа 8 после окончания длительности импульса Δt.
Поскольку обратное напряжения на выходной емкости С7 поддерживает второй составной диод 7 в закрытом состоянии, между емкостью С7 и индуктивностью L проводящей шины 10 начинается колебательный процесс, с круговой частотой .
При этом в основном ключе 4 появляется дополнительный ток, направленный встречно по отношению к току нагрузки Iн:
Плавное изменение тока в течение колебательного процесса обеспечивает включение вспомогательного ключа 8 в режиме нулевого тока.
5
р2
4
Через интервал времени Δt равный четверти периода резонансной частоты ω ток I снижается до нуля и основной ключ 4 запирается при нулевом токе. Напряжение на выходной емкости С7 второго составного диода 7 снижается при этом практически до нуля.
6. Интервал сброса энергии, накопленной в индуктивности L первой проводящей шины 10 и начало заряда выходной емкости С4 основного ключа 4.
При размыкании вспомогательного ключа 8 за счет магнитной связи между индуктивностями проводящих шин 10 и 11 отпирается дополнительный диод 9, и в индуктивности L проводящей шины 11 наводится ток, равный по величине току, накопленному в индуктивности L проводящей шины 10 к концу пятого интервала Δt5 цикла коммутаций:
L
5
L
2
При значении коэффициента магнитной связи между равными индуктивностями проводящих шин 10 и 11 близком к единице, можно полагать, что I (Δt)≈I (Δt).
Между индуктивностью L второй проводящей шины 11 и емкостью С7 начинается колебательный процесс, при котором обратное напряжение на втором составном диоде 7 начинает нарастать, а ток в дополнительном диоде 9 спадать.
На этом же интервале ток нагрузки Iн начинает заряжать выходную емкость С4 основного ключа 4.
Плавное нарастание напряжений на емкости С7 и емкости С4 обеспечивают запирание вспомогательного ключа 8 при нулевом напряжении.
Когда сумма напряжений на емкости С7 и емкости С4 становится равной напряжению источника Е, в противофазном диоде 5 открывается первый составной диод 6 и рассматриваемый интервал завершается.
Длительность шестого интервала определяют по приближенной формуле:
При этом напряжение на выходной емкости С7, равное обратному напряжению на втором составном диоде 7, в конце интервала определяется выражением:
7. Интервал полного разряда емкости С7 второго составного диода 7 и заряда выходной емкости С4 основного ключа 4 до напряжения источника питания Е.
После отпирания первого составного диода 6 ток нагрузки Iн фактически начинает протекать по параллельному соединению емкости С7 и емкости С4. При этом емкость С4 продолжает заряжаться, а емкость С7 разряжается. После увеличения напряжения на емкости С4 до значения напряжения источника питания Е, емкость С7 полностью разряжается. При этом отпирается второй составной диод 7 и ток нагрузки Iн полностью переключается в противофазный диод 5, образованный двумя составными диодами 6 и 7.
Длительность последнего интервала определяется по формуле:
По завершении указанных интервалов работы все величины токов и напряжений на компонентах базового элемента возвращаются к начальным значениям, и базовый элемент готов к очередному циклу коммутации.
Принцип работы предложенного устройства и его технический результат не изменяются, если проводящая шина 10 будет присоединена к первому внешнему выводу вспомогательного ключа 8, а проводящая шина 11 к цепи катода дополнительного диода 9. Этот вывод следует из свойства инвариантности (неизменности) схем при перестановке последовательно соединенных компонентов в ее ветвях. При этом формируются еще три равнозначные топологии базового элемента, представленные на Фиг. 3, Фиг. 4 и Фиг. 5.
Рассмотренная работа заявляемого устройства (Фиг. 1) в схеме Фиг. 2 относится к его применению в Качестве базового элемента с верхним уровнем подключения основного ключа 4 к цепи источника питания и нагрузки.
Для применения базового элемента в качестве ключевого устройства с нижним уровнем подключения основного ключа 4 изменяется топология подключения основного ключа 4 и противофазного диода 5 к силовым выводам 1, 2 и 3 устройства (Фиг. 6). Теперь к первому силовому выводу 1 подключен вывод основного ключа 4, соединенный с анодом его встречно-параллельного диода, а ко второму силовому выводу 2 подключен катод противофазного диода 5. Данная топология подключения объясняется изменением направления тока нагрузки относительно ключевых элементов нижнего уровня подключения на обратное направление, по сравнению с верхним уровнем подключения. В соответствие с изменением направления тока нагрузки, порядок подключения проводящих шин 10 и 11 к выходным цепям вспомогательного ключа 8 и дополнительного диода 9 изменяется. Теперь первый внешний вывод вспомогательного ключа 8 через первую проводящую шину 10 подключен к первому силовому выводу, а второй внешний вывод вспомогательного ключа 8 присоединен к точке соединения первого 6 и второго 7 составного диода. При этом анод дополнительного диода подключен к точке соединения основного ключа 4 с противофазным диодом 5, а катод дополнительного диода 9 через вторую проводящую шину 11 подключен к точке соединения первого 6 и второго 7 составного диода, причем распределенные индуктивности первой 10 и второй 11 проводящих шин являются магнитно-связанными.
Принцип работы заявляемого устройства (Фиг. 6) как базового элемента с нижним уровнем подключения не меняется по сравнению с базовым элементом верхнего уровня подключения (Фиг. 1). Его цикл коммутаций состоит из тех же семи основных интервалов работы.
Аналогичным образом топологии базовых элементов верхнего уровня подключения, представленные на Фиг. 3, Фиг. 4 и Фиг. 5 могут быть преобразованы в топологии базовых элементов нижнего уровня подключения, которые показаны на Фиг. 7, Фиг. 8 и Фиг. 9, соответственно.
Примеры конкретного применения предложенного устройства.
В качестве базового элемента с верхним уровнем подключения основного ключа 4, устройства на Фиг 1., Фиг. 3, Фиг. 4 и Фиг. 5 могут быть использованы в понижающих регуляторах постоянного напряжения.
В качестве базового элемента с нижним уровнем подключения основного ключа 4, устройства на Фиг 6., Фиг. 7, Фиг. 8 и Фиг. 9 могут быть использованы в повышающих регуляторах постоянного напряжения.
Последовательное включение базовых элементов верхнего и нижнего уровня подключения образует схему полумоста. Параллельное подключение двух полумостов образует однофазную мостовую схему, а параллельное подключение трех полумостов -трехфазную мостовую схему. Данная топология может быть применена в автономных инверторах, активных выпрямителях и двухтактных преобразователях постоянного напряжения.
На Фиг. 10 представлена схема полумоста на базе последовательного соединения базовых элементов верхнего (Фиг. 1) и нижнего (Фиг. 6) уровня подключения. Третий силовой вывод, являющийся общим для базовых элементов верхнего и нижнего уровня является точкой фазы полумоста 3(1,2) и служит для подключения нагрузки. При этом встречно-параллельный диод основного ключа верхнего уровня 4(1) является противофазным диодом 5(2) для основного ключа нижнего уровня 4(2) и, наоборот, встречно-параллельный диод основного ключа нижнего уровня 4(2) является противофазным диодом 5(1) для основного ключа верхнего уровня 4(1).
Для построения схемы трехуровневого полумоста с фиксированной нейтралью N могут быть применены четыре базовых элемента: два базовых элемента верхнего уровня подключения и два базовых элемента нижнего уровня подключения.
На Фиг. 11 представлен трехуровневый полумост с фиксированной нейтралью N на основе базовых элементов верхнего (Фиг. 1) и нижнего (Фиг. 6) уровня подключения.
Точка соединения основных ключей 4(2) и 4(3) образует точку фазы трехуровневого полумоста, которую можно рассматривать в качестве общего третьего силового вывода для всех базовых элементов схемы 3(1,2,3,4).
Фиксация точки нейтрали N на заданном уровне напряжения в схеме трехуровневого полумоста обеспечивается с помощью верхнего фиксирующего диода 5(1) и нижнего фиксирующего диода 5(4), которые одновременно являются противофазными диодами основного ключа верхнего уровня 4(1) и основного ключа нижнего уровня 4(4), соответственно.
Между точкой фазы 3(1,2,3,4) трехуровневого полумоста и точкой нейтрали N подключается нагрузка.
Работа трехуровневого полумоста сводится к последовательной по времени работе двух эквивалентных полумостов. Каждый из эквивалентных полумостов состоит из двух последовательно включенных базовых элементов верхнего и нижнего уровня, аналогично схеме типового полумоста Фиг. 10
Первый эквивалентный полумост состоит из основного ключа верхнего уровня 4(1) и ключа нижнего уровня, образованного последовательным соединением основного ключа 4(3) и нижнего фиксирующего диода 5(4). Противофазным диодом для ключа верхнего уровня 4(1) является верхний фиксирующий диод 5(1), который одновременно является встречно-параллельным диодом для ключа нижнего уровня, образованного последовательным соединением основного ключа 4(3) и нижнего фиксирующего диода 5(4). Противофазным диодом для ключа нижнего уровня, образованного последовательным соединением основного ключа 4(3) и нижнего фиксирующего диода 5(4), является встречно-параллельный диод основного ключа 4(1). При работе первого эквивалентного полумоста основной ключ 4(2) все время находится в замкнутом состоянии.
Второй эквивалентный полумост состоит из ключа верхнего уровня, образованного последовательным соединением верхнего фиксирующего диода 5(1) и основного ключа 4(2), и основного ключа нижнего уровня 4(4). Противофазным диодом для ключа верхнего уровня, образованного последовательным соединением верхнего фиксирующего диода 5(1) и основного ключа 4(2), является встречно-параллельный диод основного ключа 4(4). Противофазным диодом для ключа нижнего уровня 4(4) является нижний фиксирующий диод 5(4), который одновременно является встречно-параллельным диодом для ключа верхнего уровня, образованного последовательным соединением верхнего фиксирующего диода 5(1) и основного ключа 4(2). При работе второго эквивалентного полумоста основной ключ 4(3) все время находится в замкнутом состоянии.
Для подтверждения энергетической эффективности предложенного устройства были проведены экспериментальные исследования процессов коммутации в представленном базовом элементе при его работе на индуктивную нагрузку в режиме непрерывного тока, что эквивалентно работе устройства Фиг. 2.
Напряжение источника питания 500 В.
Ток нагрузки 50A.
На Фиг. 12 и Фиг. 13 представлены диаграмма напряжения U4(t) и тока I4(t) при коммутации основного ключа 4 в составе базового элемента в переходном процессе включения и выключения, соответственно. Масштаб по вертикали: 200 В на деление для напряжения, 25А на деление для тока и 5000 Вт на деление для мгновенной мощности. Масштаб времени по горизонтали 40нс на деление.
Как следует из представленных диаграмм, процессы коммутации в основном ключе 4 протекают при нулевом напряжении в переходном процессе включения (Фиг. 12) и при нулевом токе в переходном процессе выключения (Фиг. 13), что обеспечивает практически нулевую мощность динамических потерь p4(t)=U4(t)⋅I4(t) в ключе 4.
На Фиг. 14 и Фиг. 15 представлены диаграмма напряжения U8(t) и тока I8(t) при коммутации вспомогательного ключа 8 в составе базового элемента в переходном процессе включения и выключения, соответственно. Масштаб по вертикали: 200 В на деление для напряжения, 25А на деление для тока и 5000 Вт на деление для мгновенной мощности. Масштаб времени по горизонтали 20нс на деление.
Как следует из представленных диаграмм, процессы коммутации во вспомогательном ключе 8 протекают при нулевом токе в переходном процессе включения (Фиг. 14) и при нулевом напряжении в переходном процессе выключения (Фиг. 15), что обеспечивает практически нулевую мощность динамических потерь p8(t)=U8(t)⋅I8(t) во вспомогательном ключе 8.