БАЗОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО КЛЮЧЕВОГО УСТРОЙСТВА

Предложение относится к области конструирования высоковольтных силовых полупроводниковых ключей и модулей и может быть использовано в схемах и устройствах энергетической электроники среднего и высокого уровня напряжения.
Известно ключевое устройство, в котором высоковольтный полевой ключ с электростатическим управлением коммутируется включенным последовательно с ним низковольтным МОП-транзистором (US 6633195 В2, 14.10.2003).
Недостаток данного устройства заключается в том, что его выходное напряжение ограничено максимальным напряжением единичного полевого ключа, и данные устройства не могут быть непосредственно использованы в преобразователях среднего и высокого уровня напряжения.
Наиболее близким по технической сути к заявляемому решению является базовый элемент высоковольтного ключевого устройства, имеющий первый силовой вывод, второй силовой вывод, третий управляющий вывод и дополнительный силовой вывод, и содержащий два последовательно соединенных полевых ключа с электростатическим управлением и управляющий n-канальный МОП-транзистор, каждый из которых снабжен встречно-параллельным диодом, соединенных между собой таким образом, что сток первого полевого ключа подключен к первому силовому выводу, при этом затвор первого полевого ключа подключен к дополнительному силовому выводу, исток второго полевого ключа соединен со стоком управляющего МОП-транзистора, а затвор второго полевого ключа соединен с истоком управляющего МОП-транзистора, который подключен ко второму силовому выводу, при этом затвор управляющего МОП-транзистора подключен к третьему управляющему выводу (RU 152692 U1, 25.11.2014).
В устройстве прототипа для разряда входных емкостей последовательно соединенных полевых ключей с электростатическим управлением используется дополнительный диод, подключенный между затворами данных приборов. При этом происходит неполный разряд входных емкостей полевых ключей из-за конечной величины прямого напряжения на дополнительном диоде. Это ухудшает динамические параметры переходного процесса включения базового элемента и повышает мощность коммутационных потерь. Другим недостатком данного решения является невозможность его применения в качестве ключевого элемента верхнего уровня, поскольку схема прототипа не обеспечивает при этом сброс обратного тока затвора полевого ключа по цепи дополнительного силового вывода. При этом прототип не может быть использован для построения большинства типов высоковольтных схем, в том числе многоуровневых.
Технической задачей предлагаемого решения является расширение функциональных возможностей базового элемента по его применению в качестве ключевого элемента как нижнего, так и верхнего уровня, а также в качестве базового элемента многоуровневых схем с фиксированной нулевой точкой.
Технический результат предлагаемого решения заключается в повышении эффективности работы базового элемента за счет увеличения скорости его переключения и снижения динамических и статических потерь мощности.
Технический результат достигается тем, что базовый элемент высоковольтного ключевого устройства имеет первый силовой вывод, второй силовой вывод, третий управляющий вывод и дополнительный силовой вывод, и содержащий два последовательно соединенных полевых ключа с электростатическим управлением и управляющий n-канальный МОП-транзистор, каждый из которых снабжен встречно-параллельным диодом, соединенных между собой таким образом, что сток первого полевого ключа подключен к первому силовому выводу, при этом затвор первого полевого ключа подключен к дополнительному силовому выводу, исток второго полевого ключа соединен со стоком управляющего МОП-транзистора, а затвор второго полевого ключа соединен с истоком управляющего МОП-транзистора, который подключен ко второму силовому выводу, при этом затвор управляющего МОП-транзистора подключен к третьему управляющему выводу, снабжен форсирующим конденсатором, подключенным между затворами первого и второго полевого ключа.
Сущность предложенного решения и его технический результат поясняются соответствующими чертежами.
На Фиг. 1. представлен базовый элемент высоковольтного ключевого устройства.
На Фиг. 2. представлен базовый элемент высоковольтного ключевого устройства с верхним уровнем подключения к цепи источника питания и нагрузки.
На Фиг. 3. представлен базовый элемент высоковольтного ключевого устройства с нижним уровнем подключения к цепи источника питания и нагрузки.
На Фиг. 4. представлен полумост на двух базовых элементах верхнего и нижнего уровня подключения к цепи источника питания и нагрузки.
На Фиг. 5. представлен трехуровневый полумост с четырьмя базовыми элементами верхнего и нижнего уровня подключения к цепи источника питания и нагрузки.
Базовый элемент высоковольтного ключевого устройства (Фиг. 1) содержит первый силовой вывод 1, второй силовой вывод 2, третий управляющий вывод 3, дополнительный силовой вывод 4, два последовательно соединенные полевых ключа с электростатическим управлением 5 и 6 и управляющий n-канальный МОП-транзистор 7, снабженные встречно-параллельными диодами. Сток первого полевого ключа 5 подключен к первому силовому выводу 1, затвор первого полевого ключа 5 подключен к дополнительному силовому выводу 4, исток второго полевого ключа 6 соединен со стоком управляющего МОП-транзистора 7, затвор второго полевого ключа 6 соединен с истоком управляющего МОП-транзистора 7, который подключен ко второму силовому выводу 2, при этом затвор управляющего МОП-транзистора 7 подключен к третьему управляющему выводу 3. Базовый элемент снабжен форсирующим конденсатором 8, подключенным между затворами первого 5 и второго 6 полевого ключа.
На Фиг. 2 первый силовой вывод 1 базового элемента напрямую соединен с положительным полюсом источника питания Е, а второй силовой вывод 2 базового элемента соединен с заземленной нагрузкой Н. Дополнительный силовой вывод 4 базового элемента подключен к катоду фиксирующего диода D. Параллельно источнику питания Е подключена стойка из двух последовательно соединенных фильтровых конденсаторов C1, С2. Точка соединения фильтровых конденсаторов C1, С2 подключена к аноду фиксирующего диода D.
На Фиг. 3 первый силовой вывод 1 базового элемента соединен с нагрузкой Н, а второй силовой вывод 2 базового элемента соединен с общей шиной. Дополнительный силовой вывод 4 базового элемента подключен к аноду фиксирующего диода D. Параллельно источнику питания Е подключена стойка из двух последовательно соединенных фильтровых конденсаторов C1, С2. Точка соединения фильтровых конденсаторов C1, С2 подключена к катоду фиксирующего диода D.
На Фиг. 4. представлен полумост на двух последовательно соединенных базовых элементах, в котором базовый элемент верхнего уровня первым силовым выводом 1 подключен к положительной шине источника питания Е, а базовый элемент нижнего уровня вторым силовым выводом 2 подключен к отрицательной шине источника питания Е. Схема содержит два последовательно соединенных фиксирующих диода D1 и D2. При этом дополнительный силовой вывод 4 верхнего базового элемента соединен с катодом фиксирующего диода D1, а дополнительный силовой вывод 4 нижнего базового элемента соединен с анодом фиксирующего диода D2. Параллельно источнику питания Е подключена стойка из двух последовательно соединенных фильтровых конденсаторов С1, С2. Точка соединения фильтровых конденсаторов C1, С2 подключена к общей шине и к точке соединения фиксирующих диодов Dl, D2. Нагрузка Н подключена между точкой соединения верхнего (второй силовой вывод 2) и нижнего (первый силовой вывод 1) базового элемента и общей шиной.
На Фиг. 5. представлен трехуровневый полумост на четырех последовательно соединенных базовых элементах, в котором первый (верхний) базовый элемент первым силовым выводом 1 подключен к положительной шине источника питания Е, а четвертый (нижний) базовый элемент вторым силовым выводом 2 подключен к отрицательной шине источника питания Е. Устройство содержит симметричную схему фиксации, которая состоит из трех стоек последовательно соединенных диодов: D1-D2; D3-D4-D5-D6 и D7-D8-D9-D10-D11-D12. При этом точка соединения фиксирующих диодов D1, D2 из первой стойки подключена к точке соединения двух пар фиксирующих диодов D3-D4 и D5-D6 во второй стойке, а точки соединения фиксирующих диодов D3,D4 и D5,D6 из второй стойки подключены к точкам соединения трех пар фиксирующих диодов D7-D8; D9-D10 и D11-D12 в третьей стойке. Параллельно источнику питания Е подключена стойка из четырех последовательно соединенных фильтровых конденсаторов C1, С2, С3, С4. Средняя точка соединения фильтровых конденсаторов C1, С2, С3, С4 подключена к общей шине. При этом точки соединения фиксирующих диодов D7, D8; D9, D10 и Dl1, D12 подключены к точками соединения фильтровых конденсаторов С1, С2; С2, С3 и С3, С4, соответственно. Положительные выходные узлы симметричной схемы фиксации, которыми являются аноды фиксирующих диодов D2, D6 и D12 подключены к дополнительному силовому выводу 4 третьего базового элемента, к точке соединения второго 2 и первого 1 силовых выводов третьего и четвертого базового элемента и к дополнительному силовому выводу 4 четвертого базового элемента, соответственно. Отрицательные выходные узлы симметричной схемы фиксации, которыми являются катоды фиксирующих диодов Dl, D3 и D7 подключены к дополнительному силовому выводу 4 второго базового элемента, к точке соединения второго 2 и первого 1 силовых выводов первого и второго базового элемента и к дополнительному силовому выводу 4 первого базового элемента, соответственно. Нагрузка Н подключена между средней точкой соединения базовых элементов и общей шиной.
Рассмотрим работу заявляемого устройства на примере схемы с верхним уровнем подключения базового элемента к цепи источника питания и нагрузки (Фиг. 2).
Устройство является асимметричным ключом и обеспечивает пропускание тока и регулирование мощности в нагрузке Н при положительном потенциале на первом силовом выводе 1 базового элемента (сток) относительно второго силового вывода 2 базового элемента (исток), т.е. при условии
CИ
где U - выходное напряжение сток - исток базового элемента между силовыми выводами устройства 1 и 2.
Блокированное состояние базового элемента реализуется при нулевом управляющем сигнале на третьем управляющем выводе 3, соединенном с затвором управляющего МОП-транзистора 7.
Обозначим внешнее напряжение, приложенное к заявляемому устройству и включенной последовательно с ним нагрузке Н, символом Е. При закрытом базовом элементе:
DS5
DS6
DS7
где U, U, U - напряжение сток - исток полевых ключах 5, 6, и управляющем МОП-транзисторе 7, соответственно.
DS5
DS6
DS7
Значения напряжений U, U, U на ключевых элементах закрытого базового элемента будут определены ниже.
Включение базового элемента производится подачей положительного импульса напряжения в цепь затвор - исток управляющего МОП-транзистора 7 через третий управляющий вывод 3. При этом происходит заряд входной емкости управляющего МОП-транзистора 7, что обеспечивает его включение.
Через канал открытого управляющего МОП-транзистора 7 происходит разряд входной емкости полевого ключа 6. При уменьшении напряжения на входной емкости полевого ключа 6 до напряжения отсечки V0, происходит его отпирание.
Далее, через канал открытого управляющего МОП-транзистора 7, канал открытого полевого ключа 6 и форсирующий конденсатор 8 происходит разряд входной емкости полевого ключа 5. При уменьшении напряжения на входной емкости полевого ключа 5 до напряжения отсечки V0, происходит его отпирание.
Поскольку форсирующий конденсатор 8 предварительно заряжен до начального напряжения Е/2, он обеспечивает форсированный перезаряд входной емкости полевого ключа 5. В свою очередь, это повышает скорость переключения базового элемента и снижает мощность динамических потерь. После разряда входной емкости полевого ключа 5, остаточный заряд форсирующего конденсатора 8 поступает в дрейфовую область полевых ключей 5 и 6, что обеспечивает дополнительную модуляцию сопротивления дрейфовой области и снижение статических потерь мощности.
По окончании переходного процесса включения на базовом элементе установится прямое напряжение:
on
on
где U()5, U()6 - падение напряжения на открытых полевых ключах 5 и 6.
DS
R(on)7 - сопротивление открытого канала сток-исток управляющего МОП-транзистора 7.
Iс - ток стока силовой схемы при открытом базовом элементе, равный току нагрузки.
Выключение базового элемента производится переключением напряжения на управляющем выводе 3 до нулевого значения. При этом происходит разряд входной емкости управляющего МОП-транзистора 7, после чего данный транзистор 7 запирается.
Потенциал стока полевого ключа 6 при этом начинает расти, а потенциал стока ключа 5, остается фиксированным на уровне источника питания Е. Поскольку начальное напряжение на форсирующем конденсаторе 8 перед выключением базового элемента равно нулю, в цепи затвор - исток полевых ключей 5 и 6 образуются отрицательные напряжения. Наиболее быстро нарастает отрицательное напряжение верхнего полевого ключа 5. При увеличении данного напряжения до уровня напряжения отсечки V0 происходит запирание полевого ключа 5, при этом в цепи его затвора образуется мощный импульс обратного тока, величина которого практически пропорциональна току нагрузки.
На практике устройство, чаще всего, работает на активно-индуктивную нагрузку в режиме непрерывного тока. Поскольку полевой ключ 5 запирается, ток нагрузки начинает протекать через форсирующий конденсатор 8, обеспечивая его заряд практически по линейному закону. Ток нагрузки по величине всегда больше, чем амплитуда импульса обратного тока, возникающего в цепи затвора полевого ключа 5. При этом фиксирующий диод D на время заряда форсирующего конденсатора 8 будет находиться в открытом состоянии, обеспечивая фиксацию потенциала затвора полевого ключа 5 на уровне Е/2, тем самым, фиксируя выходное напряжение ключа 5 на уровне:
По аналогичному механизму происходит последовательное во времени запирание полевого ключа 6, после чего базовый элемент переходит в блокированное состояние. При этом к его выходной цепи сток - исток прикладывается полное напряжение внешнего источника Е, равномерно распределенное между обоими полевыми ключами 5 и 6 на уровне Е/2.
Потенциал стока закрытого МОП-транзистора 8 при запирании устройства максимально увеличивается до уровня напряжения отсечки V0 полевого ключа 6, при этом выходное напряжение на закрытом МОП-транзисторе 8 устанавливается равным:
Условием работоспособности устройства является требование, чтобы время заряда форсирующего конденсатора 8 током нагрузки Iн до напряжения Е/2 было больше, чем время Δt протекания импульса обратного тока в цепи затвора полевого ключа 5. Данное условие обеспечивается выбором соответствующей величины емкости С0 форсирующего конденсатора 8:
Базовый элемент высоковольтного устройства выполняется в виде единой конструкции - силового интегрального модуля размещенного в корпусе. Предложенное устройство может применяться при создании практически всех основных видов схем силовой электроники со средним и высоким уровнем выходного напряжения.
Примеры конкретного исполнения высоковольтных схем на основе предложенного базового элемента.
На Фиг. 2 представлена схема импульсного преобразователя с верхним уровнем подключения базового элемента к цепи источника питания Е и нагрузки Н.
В данной схеме первый силовой вывод 1 базового элемента напрямую соединен с положительной шиной источника питания Е, а второй силовой вывод 2 базового элемента соединен с заземленной нагрузкой Н. При фиксированном потенциале первого силового вывода 1 фиксирующий диод D подключен к дополнительному силовому выводу 4 базового элемента катодом. Данное подключение обеспечивает фиксацию отрицательного потенциала затвора полевого ключа 5 на уровне -Е/2 относительно положительной шины источника питания Е. При этом реализуется равномерное деление напряжения между полевыми ключами верхнего базового элемента на уровне Е/2 при их закрытом состоянии.
На Фиг. 3 представлена схема импульсного преобразователя с нижним уровнем подключения базового элемента к цепи источника питания Е и нагрузки Н.
В данной схеме силовой вывод 1 базового элемента соединен с нагрузкой Н, а второй силовой вывод 2 базового элемента соединен с общей шиной. Фиксирующий диод D в схеме нижнего ключа подключен к дополнительному силовому выводу 4 анодом. При заземленном истоке базового элемента (силовой вывод 2) указанное подключение фиксирующего диода обеспечивает фиксацию положительного потенциала затвора полевого ключа 5 относительно общей шины и равномерное деление напряжения между полевыми ключами нижнего базового элемента на уровне Е/2 при их закрытом состоянии.
На Фиг. 4. представлен инверторный полумост на двух базовых элементах верхнего и нижнего уровня подключения к цепи источника питания и нагрузки, что обеспечивает работу устройства на переменном токе нагрузки. Применение фиксирующих диодов D1 и D2 позволяет обеспечить равномерное деление напряжения на уровне Е/2 как для каждого из полевых ключей в обоих базовых элементах, так и на фиксирующих диодах D1 и D2 в закрытом состоянии.
На Фиг. 5. представлен трехуровневый инверторный полумост с четырьмя базовыми элементами, два из которых верхнего, и два нижнего уровня подключения к цепи источника питания и нагрузки. Применение симметричной схемы фиксации на двенадцати диодах Dl-D12 позволяет обеспечить:
равномерное деление напряжения на уровне Е/2 в выходной цепи сток - исток для всех базовых элементов;
равномерное деление напряжения на уровне Е/4 для каждого из полевых ключей в составе базового элемента, как верхнего, так и нижнего уровня подключения;
равномерное деление напряжения на уровне Е/4 для каждого из диодов Dl-D12 в составе симметричной схемы фиксации.
Использование полезной модели обеспечивает расширение функциональных возможностей по применению базового элемента в качестве высоковольтного ключа как нижнего, так и верхнего уровня подключения, а также в качестве базового элемента многоуровневых схем с фиксированной нейтралью. При этом обеспечивается повышенная эффективность работы схемы за счет увеличения скорости переключения ее ключевых элементов и снижения динамических и статических потерь мощности.