Высоковольтное ключевое устройство

Полезная модель относится к области конструирования высоковольтных силовых полупроводниковых ключей и модулей и может быть использована в схемах и устройствах энергетической электроники среднего и высокого уровня напряжения.
Известно ключевое устройство, в котором высоковольтный ключ с полевым управлением коммутируется включенным последовательно с ним низковольтным МОП-транзистором (патент США 6633195 В2, 14.10.2003, МПК Н03K 17/687).
Недостаток данного устройства заключается в том, что его выходное напряжение ограничено максимальным напряжением единичного высоковольтного ключа, и данные устройства не могут быть непосредственно использованы в преобразователях среднего и высокого уровня напряжения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является высоковольтное ключевое устройство, имеющее первый силовой вывод, второй силовой вывод, третий управляющий вывод и (N-1) дополнительных силовых выводов и содержащее стойку из N последовательно соединенных ключей с полевым управлением, стойку из (N-1) фиксирующих диодов, управляющий n-канальный МОП-транзистор, соединенных между собой таким образом, что сток первого полевого ключа подключен к первому силовому выводу, исток N-го полевого ключа соединен со стоком управляющего МОП-транзистора, при этом исток управляющего МОП-транзистора подключен ко второму силовому выводу, а затвор управляющего МОП-транзистора подключен к третьему управляющему выводу, к затвору каждого из (N-1) полевых ключей в стойке последовательно соединенных ключей с полевым управлением присоединен анод соответствующего диода из стойки (N-1) фиксирующих диодов, при этом катод соответствующего диода из стойки (N-1) фиксирующих диодов присоединен к соответствующему дополнительному силовому выводу (патент РФ 152692 U1, 25.11.2014, МПК - Н03K 17/73).
Недостатком данного решения является то, что для разряда входных емкостей N последовательно соединенных ключей с полевым управлением используется дополнительная стойка из (N-1) последовательно соединенных диодов, что существенно увеличивает количество полупроводниковых элементов устройства. Вторым недостатком данного решения является неполный разряд входных емкостей N последовательно соединенных ключей с полевым управлением из-за конечной величины прямого напряжения на разрядных диодах, что ухудшает динамику переходного процесса включения устройства и повышает мощность коммутационных потерь. Третьим недостатком данного решения является отсутствие возможности его применения в устройствах в качестве ключевого элемента верхнего уровня, поскольку в схеме прототипа принципиально невозможно изменять направление подключения фиксирующих диодов.
Технической задачей предлагаемого устройства является расширение его функциональных возможностей по применению в качестве ключевого элемента как нижнего, так и верхнего уровня.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в повышении эффективности работы за счет увеличения скорости переключения и снижения динамических и статических потерь мощности.
Технический результат достигается тем, что известное высоковольтное ключевое устройство содержит первый силовой вывод, второй силовой вывод, третий управляющий вывод и (N-1) дополнительных силовых выводов и стойку из N последовательно соединенных ключей с полевым управлением, стойку из (N-1) фиксирующих диодов, управляющий n-канальный МОП-транзистор, соединенные между собой таким образом, что сток первого полевого ключа подключен к первому силовому выводу, исток N-го полевого ключа соединен со стоком управляющего МОП-транзистора, при этом исток управляющего МОП-транзистора подключен ко второму силовому выводу, а затвор управляющего МОП-транзистора подключен к третьему управляющему выводу, к затвору каждого из (N-1) полевых ключей в стойке последовательно соединенных ключей с полевым управлением присоединен анод соответствующего диода из стойки (N-1) фиксирующих диодов, при этом катод соответствующего диода из стойки (N-1) фиксирующих диодов присоединен к соответствующему дополнительному силовому выводу, снабжено стойкой из (N-1) последовательно соединенных форсирующих конденсаторов, первая обкладка каждого из (N-1) форсирующих конденсаторов подключена к затвору соответствующего полевого ключа из стойки последовательно соединенных ключей с полевым управлением, при этом вторая обкладка (N-1) - го форсирующего конденсатора и затвор N-го полевого ключа соединены с истоком управляющего n-канального МОП-транзистора.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на Фиг. 1. представлено высоковольтное ключевое устройство, на Фиг. 2. представлена схема с нижним уровнем подключения высоковольтного ключевого устройства к цепи источника питания и нагрузки.
На Фиг. 3. показана схема с верхним уровнем подключения высоковольтного ключевого устройства к цепи источника питания и нагрузки.
На Фиг. 4. представлена схема полумоста с нижним и верхним уровнями подключения высоковольтного ключевого устройства к цепи источника питания и нагрузки.
Высоковольтное ключевое устройство содержит первый силовой вывод 1, второй силовой вывод 2, третий управляющий вывод 3, (N-1) дополнительных силовых выводов 4, 5 и 6, стойку 7 из N последовательно соединенных ключей с полевым управлением 8, 9, 10 и 11, стойку 12 из (N-1) фиксирующих диодов 13, 14 и 15, управляющий n-канальный МОП-транзистор 16. Сток первого полевого ключа 8 подключен к первому силовому выводу 1, исток N-го полевого ключа 11 соединен со стоком управляющего МОП-транзистора 16, при этом исток управляющего МОП-транзистора 16 подключен ко второму силовому выводу 2, а затвор управляющего МОП-транзистора 16 подключен к третьему управляющему выводу 3. К затвору каждого из (N-1) полевых ключей 8, 9 и 10 в стойке последовательно соединенных ключей с полевым управлением 7 присоединен анод соответствующего диода 13, 14 и 15 стойки 12 из (N-1) фиксирующих диодов, при этом катод соответствующего диода 13, 14 и 15 из стойки (N-1) фиксирующих диодов 12 присоединен к соответствующему дополнительному силовому выводу 4, 5 и 6. Устройство снабжено стойкой 17 из (N-1) последовательно соединенных форсирующих конденсаторов, первая обкладка каждого из (N-1) форсирующих конденсаторов 18, 19 и 20 подключена к затвору соответствующего полевого ключа 8, 9 и 10 из стойки 7 последовательно соединенных ключей с полевым управлением, при этом вторая обкладка (N-1) - го форсирующего конденсатора 20 и затвор N-го полевого ключа 11 соединены с истоком управляющего n-канального МОП-транзистора 16.
На Фиг. 2 первый силовой вывод 1 устройства соединен с нагрузкой Н, а второй силовой вывод 2 устройства соединен с общей шиной. Фиксирующие диоды 13, 14 и 15 в стойке 12 в данной схеме подключены к дополнительным силовым выводам 4, 5 и 6 устройства катодами.
N
Параллельно источнику питания Е подключена стойка из N последовательно соединенных фильтровых конденсаторов C1, С2, С3, C.
N
Точки соединения фильтровых конденсаторов С1, С2, С3, C подключены к (N-1) дополнительным силовым выводам 4, 5 и 6 устройства.
На Фиг. 3 первый силовой вывод 1 устройства непосредственно соединен с положительным полюсом источника питания Е, а второй силовой вывод 2 устройства соединен с заземленной нагрузкой Н. Фиксирующие диоды 13, 14 и 15 в стойке 12 подключены к дополнительным силовым выводам 4, 5 и 6 устройства анодами.
N
Параллельно источнику питания Е подключена стойка из N последовательно соединенных фильтровых конденсаторов C1, С2, С3, C.
N
Точки соединения фильтровых конденсаторов C1, С2, С3, C подключены к (N-1) дополнительным силовым выводам 4, 5 и 6 устройства.
N
В схеме полумоста высоковольтное ключевое устройство верхнего уровня первым силовым выводом подключено к положительной шине источника питания Е, а высоковольтное ключевое устройство нижнего уровня вторым силовым выводом 2 подключено к отрицательной шине источника питания Е. Параллельно источнику питания Е подключена стойка из N последовательно соединенных фильтровых конденсаторов C1, С2, С3, C.
N
Точки соединения фильтровых конденсаторов C1, С2, С3, C подключены к (N-1) дополнительным силовым выводам 4, 5 и 6 устройства как с верхним, так и с нижнем уровнем подключения.
N
Нагрузка Н подключена между точкой соединения верхнего (второй силовой вывод 2), и нижнего (первый силовой вывод 1) силового устройства и средней точкой стойки фильтровых конденсаторов C1, С2, С3, C, являющейся общей точкой.
Рассмотрим работу заявляемого устройства на примере схемы с верхним уровнем подключения высоковольтного ключевого устройства к цепи источника питания и нагрузки (Фиг. 3).
Устройство является асимметричным ключом и обеспечивает пропускание тока и регулирование мощности в нагрузке Н при положительном потенциале на первом силовом выводе 1 (сток устройства) относительно второго силового вывода 2 (исток устройства), т.е. при условии
,
СИ
где U - выходное напряжение сток-исток устройства между силовыми выводами устройства 1 и 2.
Блокированное состояние устройства реализуется при нулевом управляющем сигнале на третьем управляющем выводе 3, соединенном с затвором управляющего МОП-транзистора 16.
Обозначим внешнее напряжение, приложенное к заявляемому устройству и включенной последовательно с ним нагрузке Н, символом Е. При закрытом устройстве:
,
DS8
DS9
DS10
DS11
где U, U, U, U - напряжение сток-исток на соответствующих полевых ключах 8, 9, 10, 11 в стойке 7;
DS16
U - напряжение сток-исток на управляющем МОП-транзисторе 16.
DS8
DS9
DS10
DS11
DS16
Значения напряжений U, U, U,U, U на ключевых элементах закрытого устройства будут определены ниже.
Включение устройства производится подачей положительного импульса напряжения на третий управляющий вывод 3. При этом происходит заряд входной емкости управляющего МОП-транзистора 16, что обеспечивает его включение.
0
Через канал открытого управляющего МОП-транзистора 16 происходит разряд входной емкости полевого ключа 11. При уменьшении напряжения на входной емкости полевого ключа 11 до напряжения отсечки V происходит его отпирание.
0
Далее, через канал открытого управляющего МОП-транзистора 16, канал открытого полевого ключа 11 и форсирующий конденсатор 20 происходит разряд входной емкости полевого ключа 10. При уменьшении напряжения на входной емкости полевого ключа 10 до напряжения отсечки V происходит его отпирание. И так далее для всех остальных полевых ключей 9 и 8 в стойке 7.
Поскольку форсирующие конденсаторы 18, 19 и 20 в стойке 17 предварительно заряжены до начального напряжения E/N, они обеспечивают форсированный перезаряд входных емкостей соответствующих транзисторов 8, 9 и 10. В свою очередь, это повышает скорость переключения устройства и снижает мощность динамических потерь. После разряда входных емкостей транзисторов 8, 9 и 10, остаточный заряд от форсирующих конденсаторов 18, 19 и 20 поступает также в дрейфовую область транзисторов 8, 9 и 10, что обеспечивает дополнительную модуляцию сопротивления дрейфовой области и снижение статических потерь мощности.
По окончании переходного процесса включения на устройстве установится прямое напряжение:
,
(on)8
(on)9
(on)10
(on)11
где U, U, U, U - падение напряжения на открытых полевых ключах 8, 9, 10, 11;
DS(on)16
R - сопротивление открытого канала сток-исток управляющего МОП-транзистора 16;
C
I - ток стока силового устройства в открытом состоянии, равный току нагрузки.
Выключение устройства производится переключением напряжения на управляющем выводе 3 до нулевого значения. При этом происходит разряд входной емкости управляющего МОП-транзистора 16, после чего данный транзистор 16 запирается.
0
Потенциалы стоков полевых ключей 10 и 9 при этом начинают расти, за исключением потенциала стока ключа 8, который фиксирован на уровне источника питания Е. Поскольку начальные напряжения на форсирующих конденсаторах 18, 19, 20 перед выключением устройства равны нулю, в цепи затвор-исток полевых ключей в стойке 7 образуются отрицательные напряжения. Наиболее быстро нарастает отрицательное напряжение самого верхнего ключа 8 в стойке 7. При увеличении данного напряжения до уровня напряжения отсечки V происходит запирание полевого ключа 8, при этом в цепи его затвора образуется мощный импульс обратного тока, величина которого пропорциональна току нагрузки.
На практике чаще всего устройство работает на активно-индуктивную нагрузку в режиме непрерывного тока. Поскольку полевой ключ 8 запирается, ток нагрузки начинает протекать через форсирующий конденсатор 18, обеспечивая его заряд практически по линейному закону. Ток нагрузки по величине всегда больше, чем амплитуда импульса обратного тока, возникающего в цепи затвора полевого ключа 8. При этом диод 13 на время заряда форсирующего конденсатора 18 будет находиться в открытом состоянии, обеспечивая фиксацию потенциала затвора полевого ключа 8 на уровне (N-1)E/N, тем самым, фиксируя выходное напряжение ключа 8 на уровне:
.
По аналогичному механизму происходит последовательное во времени запирание всех других ключей 9, 10 и 11 с полевым управлением в стойке 7. После запирания последнего полевого ключа 11 устройство переходит в блокированное состояние. При этом к выходной цепи сток-исток устройства прикладывается полное напряжение внешнего источника Е, равномерно распределенное между N полевыми ключами 8, 9, 10, 11 в стойке 7 на уровне E/N.
0
Потенциал стока закрытого МОП-транзистора 16 при запирании устройства максимально увеличивается до уровня напряжения отсечки V полевого ключа 11, при этом выходное напряжение на закрытом МОП-транзисторе 16 устанавливается равным:
.
0
Условием работоспособности устройства является требование, чтобы время заряда форсирующих конденсаторов 18, 19 и 20 в стойке 17 током нагрузки Iн до напряжения E/N было больше, чем время Δt протекания импульса обратного тока в цепи затворов соответствующих полевых ключей 8, 9 и 10 в стойке 7. Данное условие обеспечивается выбором соответствующей величины емкости С форсирующих конденсаторов 18, 19 и 20 в стойке 17:
Примеры конкретного исполнения предложенного устройства.
На Фиг. 2 представлена схема с нижним уровнем подключения высоковольтного ключевого устройства к цепи источника питания Е и нагрузки Н. В данной схеме силовой вывод 1 устройства соединен с нагрузкой Н, а второй силовой вывод 2 устройства соединен с общей шиной. Фиксирующие диоды 13, 14 и 15 в стойке 12 в схеме нижнего ключа подключены к дополнительным силовым выводам 4, 5 и 6 устройства катодами. При заземленном истоке устройства (силовой вывод 2) данное подключение фиксирующих диодов обеспечивает фиксацию положительных потенциалов затворов ключей с полевым управлением в стойке 7, относительно отрицательной шины источника питания Е.
На Фиг. 3 показана схема с верхним уровнем подключения высоковольтного ключевого устройства к цепи источника питания Е и нагрузки Н. В данной схеме первый силовой вывод 1 устройства непосредственно соединен с положительной шиной источника питания Е, а второй силовой вывод 2 устройства соединен с заземленной нагрузкой Н. При фиксированном потенциале первого силового вывода устройства фиксирующие диоды подключены к дополнительным силовым выводам 4, 5 и 6 устройства анодами, поскольку такое подключение обеспечивает фиксацию отрицательных потенциалов затворов ключей с полевым управлением в стойке 7, относительно положительной шины источника питания Е.
На Фиг. 4. представлен полумост, содержащий два высоковольтных ключевых устройства: один нижнего, а другой - верхнего уровня подключения к цепи источника питания и нагрузки. Данное подключение обеспечивает работу схемы при переменном токе в нагрузке Н.
Использование изобретения обеспечивает расширение функциональных возможностей по применению высоковольтного устройства в качестве ключевого элемента нижнего, так и верхнего уровня подключения, а также повышает эффективность работы устройства, за счет увеличения скорости переключения и снижения динамических и статических потерь мощности его ключевых элементов.