Высоковольтное силовое полупроводниковое устройство
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.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в повышении эффективности его работы за счет увеличения выходного тока устройства и снижения мощности статических потерь.
Технический результат достигается применением в устройстве полевых ключей с модулируемой проводимостью, при этом в устройство введена стойка из (N-1) фиксирующих диодов.
5 илл.
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 силовое полупроводниковое устройство, в котором высоковольтный ключ с полевым управлением коммутируется включенным последовательно с ним низковольтным МОП-транзистором (пат. США 6633195 В2, 14.10.2003).
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 сути к заявляемому решению является силовое полупроводниковое устройство, включающее стойку из N последовательно соединенных ключей с полевым управлением, стойку из (N-1) последовательно соединенных диодов и управляющий n-канальный МОП-транзистор, соединенных между собой таким образом, что сток первого полевого ключа подключен к первому силовому выводу, а исток N-го полевого ключа соединен со стоком управляющего МОП-транзистора, при этом исток управляющего МОП-транзисторов подключен ко второму силовому выводу, а затвор управляющего МОП-транзистора подключен к третьему управляющему выводу, катод каждого из (N-1) последовательно соединенных диодов подключен к затвору соответствующего полевого ключа из стойки последовательно соединенных ключей с полевым управлением, при этом анод (N-1)-го диода и затвор N-го полевого ключа соединены с истоком управляющего n-канального МОП-транзистора (пат. США 6822842 В2, 23.11.2004).
Недостатком данного решения является существенный рост статических потерь мощности в устройстве при увеличении тока нагрузки из-за относительно высокого сопротивления открытого канала униполярных ключей с полевым управлением.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в повышении эффективности его работы за счет увеличения выходного тока устройства и снижения мощности статических потерь.
Технический результат достигается тем, что в силовом полупроводниковом устройстве, включающем стойку из N последовательно соединенных ключей с полевым управлением, стойку из (N-1) последовательно соединенных диодов и 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, катод каждого из (N-1) последовательно соединенных диодов подключен к затвору соответствующего полевого ключа из стойки последовательно соединенных ключей с полевым управлением, при этом анод (N-1)-го диода и затвор N-го полевого ключа соединены с истоком управляющего n-канального МОП-транзистора, в стойке из N последовательно соединенных ключей с полевым управлением применены полевые ключи с модулируемой проводимостью, при этом в устройство введена стойка из (N-1) фиксирующих диодов, причем анод каждого из (N-1) фиксирующих диодов присоединен к затвору соответствующего полевого ключа в стойке последовательно соединенных ключей с полевым управлением, а катод каждого из (N-1) фиксирующих диодов подключен к соответствующему дополнительному силовому выводу.
Сущность предложенного решения и его технический результат поясняются соответствующими чертежом, где,
на Фиг. 1. представлено высоковольтное силовое полупроводниковое устройство;
на Фиг. 2. представлена схема подключения высоковольтного силового полупроводникового устройства к цепи источника питания и нагрузки;
на Фиг. 3. представлены осциллограммы переключения высоковольтного силового полупроводникового устройства;
на Фиг. 4. представлены осциллограммы динамического распределения напряжения на ключах с полевым управлением при переключении высоковольтного силового полупроводникового устройства;
на Фиг. 5. представлены осциллограммы выходного напряжения высоковольтного силового полупроводникового устройства и напряжения на управляющем МОП-транзисторе.
Высоковольтное силовое полупроводниковое устройство (Фиг. 1) содержит стойку 1 из N последовательно соединенных ключей с полевым управлением 2, 3, 4, 5. Сток первого полевого ключа 2 присоединен к первому силовому выводу «С» (сток устройства), а исток N-го полевого ключа 5 присоединен к стоку управляющего n-канального МОП-транзистора 6, при этом исток управляющего МОП-транзистора 6 подключен ко второму силовому выводу «И» (исток устройства), а затвор управляющего МОП-транзистора 6 подключен к третьему управляющему выводу «3» (затвор устройства). Устройство содержит стойку 7 из (N-1) последовательно соединенных диодов 8, 9, 10. Катод каждого из (N-1) последовательно соединенных диодов 8, 9, 10 подключены к затвору соответствующего полевого ключа 2, 3, 4 из стойки 1 последовательно соединенных ключей с полевым управлением. Другими словами: катод первого диода 8 подключен к затвору первого полевого ключа 2, катод второго диода 9 подключен к затвору второго полевого ключа 3, а катод (N-1)-го диода 10 подключен к затвору (N-1)-го полевого ключа 4. При этом анод (N-1)-го диода 10 и затвор N-го полевого ключа 5 соединены с истоком управляющего n-канального МОП-транзистора 6.
В устройство введена стойка 11 из (N-1) фиксирующих диодов 12, 13, 14. Анод каждого из (N-1) фиксирующих диодов 12, 13, 14 присоединен к затвору соответствующего полевого ключа 2, 3, 4 в стойке 1 последовательно соединенных ключей с полевым управлением. Другими словами: анод первого фиксирующего диода 12 подключен к затвору первого полевого ключа 2, анод второго фиксирующего диода 13 подключен к затвору второго полевого ключа 3, а анод (N-1)-го фиксирующего диода 14 подключен к затвору (N-1)-го полевого ключа 4. При этом катоды фиксирующих диодов 12, 13, 14 подключены к (N-1) дополнительным силовым выводам 15, 16, 17, соответственно.
На Фиг. 2 представлена схема подключения высоковольтного силового полупроводникового устройства к последовательной цепи источника питания 
и нагрузки Н. Параллельно источнику питания подключена стойка из N последовательно соединенных фильтровых конденсаторов С1, С2, С3, CN.
Точки соединения фильтровых конденсаторов C1, С2, С3, CN подключены к (N-1) дополнительным силовым выводам 15, 16, 17 устройства.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Устройство является асимметричным ключом и обеспечивает пропускание тока и регулирование мощности в нагрузке 
при положительном потенциале на первом силовом выводе "С" относительно второго силового вывода "И", т.е. при условии
где UСИ - выходное напряжение устройства между выводами "С" и "И".
Блокированное состояние устройства реализуется при нулевом управляющем сигнале на третьем управляющем выводе "З", соединенном с затвором управляющего МОП-транзистора 6.
Обозначим внешнее напряжение, приложенное к заявляемому устройству и включенной последовательно с ним нагрузке Н, символом Е. При закрытом устройстве:
где UDS2, UDS3 , UDS4, UDS5 - напряжение сток - исток на соответствующих полевых ключах 2, 3, 4, 5 в стойке 1.
Uds6 - напряжение сток - исток на управляющем МОП-транзисторе 6.
Значения напряжений UDS2, U DS3, UDS4, UDS5, UDS6 на ключевых элементах закрытого устройства будут определены ниже.
Включение устройства производится подачей положительного импульса напряжения на третий управляющий вывод "З". При этом происходит заряд входной емкости управляющего МОП-транзистора 6, что обеспечивает его включение.
Через канал открытого управляющего МОП-транзистора 6 происходит разряд входной емкости полевого ключа 5. При уменьшении напряжения на входной емкости полевого ключа 5 до напряжения отсечки V0, происходит его отпирание.
Далее, через канал открытого управляющего МОП-транзистора 6, канал открытого полевого ключа 5 и диод 10 происходит разряд входной емкости полевого ключа 4. При уменьшении напряжения на входной емкости полевого ключа 4 до напряжения отсечки V0, происходит его отпирание. И так далее для всех остальных полевых ключей 3 и 2 в стойке 1.
По окончании переходного процесса включения на устройстве установится прямое напряжение:
где U(on)2, U(on)3 , U(on)4, U(on)5 - падение напряжения на открытых полевых ключах 2, 3, 4, 5.
RDS(on)6 - сопротивление открытого канала сток-исток управляющего МОП-транзистора 6.
IC - ток стока силового устройства в открытом состоянии, равный току нагрузки.
В прототипе рассматриваемого устройства (пат. США 6822842 В2, 23.11.2004) в стойке 1 используются униполярные ключи с полевым управлением 2, 3, 4, 5, для выравнивания динамических напряжений на которых в стойке 7 применены диоды 8, 9, 10 с лавинным ограничением обратного напряжения.
Недостатком униполярных приборов 2, 3, 4, 5 прототипа является повышенное сопротивление открытого канала, составляющее величину десятых долей и даже единиц Ом.
С увеличением тока нагрузки статические потери мощности в униполярных ключах 2, 3, 4, 5 прототипа становятся недопустимо большими. Поэтому с целью снижения статических потерь мощности и расширения верхнего диапазона тока нагрузки до сотен и тысяч ампер в стойке 1 предлагаемого устройства применены полевые ключи с модулируемой проводимостью 2, 3, 4, 5, называемые также индукционными тиристорами. По сравнению с униполярными ключами прототипа сопротивление открытого канала ключей с модулируемой проводимостью 2, 3, 4, 5, имеющих тот же класс напряжения, составляет величину в несколько раз меньшую.
Однако в цепи затвора полевых ключей с модулируемой проводимостью 2, 3, 4, 5 в процессе выключении формируются большие импульсные токи, по амплитуде соизмеримые с током нагрузки. При этом применение диодов 8, 9, 10 в стойке 7 в качестве лавинных ограничителей с целью выравнивания динамических напряжений на полевых ключах 2, 3, 4, 5 стойки 1 становится невозможным. В предложенном устройстве в стойке 7 используются высокочастотные импульсные диоды 8, 9, 10, главным образом предназначенные для разряда входных емкостей полевых ключей 2, 3, 4 стойки 1 в переходном процессе включения устройства.
Для выравнивания динамических напряжений на полевых ключах 2, 3, 4, 5 стойки 1 в устройство введена стойка 11 из (N-1) фиксирующих диодов 12, 13, 14.
Рассмотрим процесс выключения устройства и выравнивание динамических напряжений на полевых ключах с модулируемой проводимостью 2, 3, 4, 5 в стойке 1 при его подключении к цепи источника питания и нагрузки в соответствие со схемой, показанной на Фиг. 2.
На Фиг. 2 параллельно источнику питания подключена стойка из N последовательно соединенных фильтровых конденсаторов C1, С2, С3, CN. При этом падение напряжения на каждом из фильтровых конденсаторов C1, С2, С3, CN составляет величину E/N.
Точки соединения фильтровых конденсаторов C1, С2, С3, CN подключены к (N-1) дополнительным силовым выводам 15, 16, 17 устройства.
Выключение устройства производится переключением напряжения на управляющем выводе "З" до нулевого значения. При этом происходит разряд входной емкости управляющего МОП-транзистора 6, после чего данный транзистор 6 запирается. Потенциал стока управляющего МОП-транзистора 6 начинает увеличиваться, при этом в цепи затвора полевого ключа 5 возникает отрицательное напряжение. При увеличении данного напряжения до уровня напряжения отсечки V0 происходит запирание полевого ключа 5. При этом на закрытом управляющем МОП-транзисторе 6 фиксируется напряжение на уровне:
а в цепи затвора полевого ключа 5 образуется мощный импульс обратного тока, практически равный по величине току нагрузки, который через второй силовой вывод «И» устройства замыкается на общую шину.
Потенциал стока закрытого полевого ключа 5 начинает расти, при этом пропорционально растет потенциал затвора полевого ключа 4. Когда потенциал затвора полевого ключа 4 возрастает до значения E/N, отпирается фиксирующий диод 17. Потенциал затвора полевого ключа 4 с помощью конденсатора CT фиксируется на уровне E/N. Дальнейший рост потенциал стока полевого ключа 5 приводит к возникновению отрицательного напряжения в цепи затвор-исток полевого ключа 4. При увеличении данного напряжения до уровня напряжения отсечки V0 происходит запирание полевого ключа 4. При этом на закрытом ключе 5 реализуется напряжение:
При запирании полевого ключа 4 в цепи его затвора образуется мощный импульс обратного тока, по амплитуде соизмеримый с током нагрузки. С помощью фильтрового конденсатора CN, обладающего относительно большой емкостью, через открытый фиксирующий диод 14 и цепь дополнительного силового вывода 17 обеспечивается поглощение энергии импульса обратного тока практически без изменения напряжения на фильтровом конденсаторе CN.
По аналогичному механизму происходит последовательное во времени запирание всех других ключей 3 и 2 с полевым управлением в стойке 1. После запирания последнего полевого ключа 2 устройство переходит в блокированное состояние. При этом к выходной цепи сток «С» - исток «И» устройства прикладывается полное напряжение внешнего источника Е, равномерно распределенное между N полевыми ключами 2, 3, 4, 5 в стойке 1.
Конкретное исполнение устройства при N=2 выполнено в виде силовой сборки в соответствии с Фиг. 2, в которой в качестве ключей 2 и 3 с полевым управлением в стойке 1 применены высоковольтные индукционные тиристоры с модулируемой проводимостью на максимальное напряжением 1200 В и средний ток 100 А, напряжение насыщения которых составляет не более 1,5 В. В качестве управляющего МОП-транзистора 6 применен низковольтный n-канальный транзистор с максимальным напряжением 55 В, пороговым напряжением 3,0 В и средним током 100 А, имеющий сопротивление канала в открытом состоянии не более 3,0 мОм и входную емкость затвор-исток 20 нФ. В диодной стойке 7 и стойке фиксирующих диодов 11 применены высокочастотные импульсные диоды с максимальным обратным напряжением 1200 В и импульсным током 100А.
Параметры электрического режима работы устройства:
- напряжение внешнего источника питания =1500 В;
- ток нагрузки 100 А.
На Фиг. 3, Фиг. 4 и Фиг. 5 представлены осциллограммы работы заявляемого устройства, снятые с использованием цифрового осциллографа Tektronix серии TDS 3054, которые демонстрируют его технический результат, в котором при относительно большом токе нагрузки величиной 100А обеспечивается динамическое выравнивание напряжения по 750 В на каждый полевой ключ 2 и 3 с моделируемой проводимостью в стойке 1. При этом падение напряжения на управляющем МОП-транзисторе 6 не превышает 20 В.
Параметры электрического режима работы устройства:
- напряжение внешнего источника питания =1500 В;
- ток нагрузки 100 А.
На Фиг. 3 представлены осциллограммы переключения высоковольтного силового полупроводникового устройства.
Канал 1 - напряжение затвор-исток устройства (масштаб 10 В/дел).
Канал 3 - ток стока устройства (масштаб 50 А/дел).
Канал 4 - напряжение сток-исток устройства (масштаб 500 В/дел).
Масштаб временной развертки - 100 нс/дел.
На Фиг. 4 представлены осциллограммы динамического распределения напряжения на ключах с полевым управлением 2 и 3 в стойке 1 при переключении высоковольтного силового полупроводникового устройства.
Канал 1 - напряжение затвор-исток устройства (масштаб 10 В/дел).
Канал 2 - напряжение сток-исток полевого ключа 3 (масштаб 500 В/дел).
Канал 
- напряжение сток-исток полевого ключа 2 (масштаб 500 В/дел).
Масштаб временной развертки - 100 нс/дел.
На Фиг. 5 представлены осциллограммы напряжение в выходной цепи сток-исток высоковольтного силового полупроводникового устройства и напряжение на низковольтном управляющем МОП-транзисторе 6.
Канал 2 - напряжение сток-исток управляющего МОП - транзистора 6 (масштаб 10 В/дел).
Канал 4 - напряжение сток-исток устройства (масштаб 500 В/дел).
Высоковольтное силовое полупроводниковое устройство, включающее стойку из N последовательно соединенных ключей с полевым управлением, стойку из (N-1) последовательно соединенных диодов и 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, катод каждого из (N-1) последовательно соединенных диодов подключен к затвору соответствующего полевого ключа из стойки последовательно соединенных ключей с полевым управлением, при этом анод (N-1)-го диода и затвор N-го полевого ключа соединены с истоком управляющего n-канального МОП-транзистора, отличающееся тем, что в стойке из N последовательно соединенных ключей с полевым управлением полевые ключи выполнены с модулируемой проводимостью, при этом в устройство введена стойка из (N-1) фиксирующих диодов и дополнительные силовые выводы, причем анод каждого из (N-1) фиксирующих диодов присоединен к затвору соответствующего полевого ключа в стойке последовательно соединенных ключей с полевым управлением, а катод каждого из (N-1) фиксирующих диодов подключен к соответствующему дополнительному силовому выводу.
