Силовая полупроводниковая управляемая асимметричная вентильная ячейка

Полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована в источниках питания для индукционных нагревателей и других электротехнических нагрузок повышенной частоты. Полезная модель повышает надежность работы силовой полупроводниковой управляемой асимметричной вентильной ячейки. Силовая полупроводниковая управляемая асимметричная вентильная ячейка содержит, подключенную к выводам постоянного тока последовательную цепь, включающую управляемые вентили, общая точка соединения которых соединена с выводом переменного тока, зашунтированную как минимум одним встречным диодом на основе карбида кремния. 2 илл.

Полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована в источниках питания для индукционных нагревателей и других электротехнических нагрузок повышенной частоты. Полезная модель повышает надежность работы силовой полупроводниковой управляемой асимметричной вентильной ячейки.

Известна силовая полупроводниковая управляемая асимметричная вентильная ячейка, содержащая подключенную к выводам постоянного тока последовательную цепь, включающую управляемые вентили, общая точка соединения которых соединена с выводом переменного тока, зашунтированные, каждый, одним встречным кремниевым диодом (П. 2289190 РФ, МКИ Н02М 5\44. Способ управления инвертором напряжения/ Е.М.Силкин - Заявл. 12.05.03, Опубл. 10.12.06, Б.И. 34).

Недостатком силовой полупроводниковой управляемой асимметричной вентильной ячейки является низкая надежность работы. При использовании известной вентильной ячейки в преобразователях на основе инверторов тока с квазирезонансной коммутацией возможна асимметрия токов встречных диодов, что может привести к возрастанию коммутационных потерь в отдельных управляемых вентилях. При использовании известной вентильной ячейки в преобразователях на основе согласованных инверторов с резонансной коммутацией или инверторов напряжения с квазирезонансной коммутацией предельная частота работы ограничивается большими временами вывода, накопленных в базах управляемых вентилей и встречных диодов, зарядов неравновесных носителей. Это обусловлено малыми величинами напряжений на управляемых вентилях в интервалах проводимости встречных диодов в согласованных инверторах или, соответственно, на встречных диодах в интервалах проводимости управляемых вентилей в инверторах напряжения. Остаточные заряды неравновесных носителей могут вызвать снижение стойкости управляемых вентилей к скорости нарастания напряжения и их несанкционированному включению. Повышенные коммутационные потери в управляемых вентилях и снижение их стойкости к скорости нарастания напряжения являются причиной выхода вентильной ячейки из строя.

Известна силовая полупроводниковая управляемая асимметричная вентильная ячейка, содержащая подключенную к выводам постоянного тока последовательную цепь, включающую управляемые вентили с последовательными кремниевыми диодами, общая точка соединения которых соединена с выводом переменного тока (Силкин Е.М. Транзисторные преобразователи частоты для индукционного нагрева // Электротехника. - 2004. - 10. - С.24-30).

Недостатком силовой полупроводниковой управляемой асимметричной вентильной ячейки является низкая надежность работы. При использовании известной вентильной ячейки в преобразователях на основе инверторов тока с квазирезонансной коммутацией возможна асимметрия токов управляемых вентилей и последовательных диодов в интервалах коммутаций, что может привести к возрастанию коммутационных потерь в отдельных управляемых вентилях. При использовании известной вентильной ячейки в преобразователях на основе согласованных инверторов с резонансной коммутацией или инверторов напряжения с квазирезонансной коммутацией предельная частота работы ограничивается большими временами вывода и рекомбинации, накопленных в базах управляемых вентилей, зарядов неравновесных носителей. Это обусловлено малыми величинами коммутационных напряжений на управляемых вентилях. Остаточные заряды неравновесных носителей могут вызвать снижение стойкости управляемых вентилей к скорости нарастания напряжения и их несанкционированному включению. Повышенные коммутационные потери в управляемых вентилях и снижение их стойкости к скорости нарастания напряжения являются причиной выхода вентильной ячейки из строя.

Известна силовая полупроводниковая управляемая асимметричная вентильная ячейка, содержащая подключенную к выводам постоянного тока последовательную цепь, включающую управляемые вентили, общая точка соединения которых соединена с выводом переменного тока (П.2152682 РФ, МКИ Н02М 5\45. Преобразователь частоты / Е.М.Силкин - Заявл. 13.04.99, Опубл. 10.07.00, Б.И. 19).

Указанная силовая полупроводниковая управляемая асимметричная вентильная ячейка является наиболее близкой по технической сущности к полезной модели и выбрана в качестве прототипа.

Недостатком известной силовой полупроводниковой управляемой асимметричной вентильной ячейки является низкая надежность работы. При использовании вентильной ячейки в преобразователях на основе инверторов тока с квазирезонансной коммутацией велики коммутационные потери в управляемых вентилях. При использовании известной вентильной ячейки в преобразователях на основе согласованных инверторов с резонансной коммутацией или инверторов напряжения предельная частота работы ограничивается, соответственно, раскачкой напряжений на управляемых вентилях и большими коммутационными потерями в них. Повышенные коммутационные потери в управляемых вентилях являются причиной выхода вентильной ячейки из строя.

Полезная модель направлена на решение задачи повышения надежности работы силовой полупроводниковой управляемой асимметричной вентильной ячейки, что является целью полезной модели.

Указанная цель достигается тем, что силовая полупроводниковая управляемая асимметричная вентильная ячейка содержит, подключенную к выводам постоянного тока последовательную цепь, включающую управляемые вентили, общая точка соединения которых соединена с выводом переменного тока, зашунтированную как минимум одним встречным диодом на основе карбида кремния.

Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является повышение надежности работы силовой полупроводниковой управляемой асимметричной вентильной ячейки. Коммутационные потери в управляемых вентилях и встречных диодах для схемы любого класса являются минимальными. В работающей вентильной ячейке обеспечивается эффективный вывод накопленных зарядов неравновесных носителей из базовых структур управляемых вентилей за счет более высокого и регулируемого уровня напряжения на них в интервалах проводимости встречных диодов, что расширяет диапазон допустимых выходных частот, в котором гарантируется ее надежная работа. Полностью исключается асимметрия токов управляемых вентилей в схемах преобразователей электрической энергии на основе независимых инверторов тока с квазирезонансной коммутацией. Использование встречных диодов на основе карбида кремния, обладающих малой собственной емкостью и способностью накапливать минимальные заряды неравновесных носителей, снижает уровень коммутационных потерь в вентилях.

Повышение надежности работы силовой полупроводниковой управляемой асимметричной вентильной ячейки полученным техническим результатом, обусловленным новыми элементами и новым порядком включения элементов в схеме силовой полупроводниковой управляемой асимметричной вентильной ячейки, реализуемым новым способом управления и новыми связями, то есть отличительными признаками полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемой управляемой асимметричной вентильной ячейки являются существенными.

На фиг.1 приведена принципиальная схема силовой полупроводниковой управляемой асимметричной вентильной ячейки, а на фиг.2 изображены упрощенные диаграммы сигналов в элементах схемы в установившемся (статическом) режиме работы.

Силовая полупроводниковая управляемая асимметричная вентильная ячейка содержит, подключенную к выводам постоянного тока последовательную цепь, включающую управляемые вентили 1, 2, общая точка соединения которых соединена с выводом переменного тока, зашунтированную как минимум одним встречным диодом 3 на основе карбида кремния.

Силовая полупроводниковая управляемая асимметричная вентильная ячейка в установившемся режиме работает следующим образом. Управляемые вентили 1, 2 включаются и проводят ток поочередно с частотой выходного сигнала переменного тока =1/Т, где Т - длительность периода выходного сигнала переменного тока).

На фиг.2 (первая и вторая диаграммы) изображены сигналы управления s₁ и s₂ вентилей 1 и 2, соответственно. В интервалах времени [t₂, t ₃], [t₅, t₆] и [t₈, t ₉] сигналы управления равны нулю (s₁=s₂ =0). Эти интервалы соответствуют паузе в работе вентильной ячейки. Токи i₁, i₂ (пятая и шестая диаграммы фиг.2), протекающие через выводы постоянного тока и управляемые вентили 1, 2, является ограниченными по величине и имеет форму полуволн синусоиды, что задается внешними цепями, подключенными к выводу переменного тока.

При работе силовой полупроводниковой управляемой асимметричной вентильной ячейки ток i_~ вывода переменного тока изменяется в соответствии с третьей диаграммой фиг.2, а ток i₃, протекающий в цепи встречного диода (3), изменяется в соответствии с четвертой диаграммой фиг.2.

На седьмой и восьмой диаграммах фиг.2 представлены кривые напряжений u₁ управляемого вентиля 1 и u ₂ управляемого вентиля 2. В интервалах времени [0, t ₁], [t₃, t₄], [t₆, t ₇] и [t₉, t₁₀] проводимости встречного диода (3) к соответствующему выключившемуся управляемому вентилю (1, 2) прикладывается небольшое отрицательное напряжение, равное сумме падений напряжения на работающем вентиле (1, 2) и встречном диоде (3). Для увеличения уровня этого напряжения несколько диодов могут быть соединены последовательно в цепь, как показано на фиг.1.

На рассмотренных интервалах времени [0, t₁], [t₃, t₄], [t₆ , t₇] и [t₉, t₁₀] осуществляется вывод остаточных зарядов неравновесных носителей из полупроводниковых структур управляемых вентилей 1, 2.

В качестве управляемых вентилей 1, 2 в силовой полупроводниковой управляемой асимметричной вентильной ячейке могут быть использованы любые типы однооперационных или двухоперационных вентилей (тиристоры, транзисторы, составные структуры). Встречный диод 3 может быть обычным pin - диодом или диодом Шоттки. Использование диодов Шоттки на основе карбида кремния позволяет повысить надежность работы и, соответственно, расширить диапазон рабочих частот силовой полупроводниковой управляемой асимметричной вентильной ячейки, в котором гарантируется высокая надежность работы. Диаграммы фиг.2 для сигналов управления (s₁, s₂) приведены для варианта выполнения управляемых вентилей 1, 2 на основе транзисторов.

Заявляемая вентильная ячейка является асимметричной, так как не обладает обратной блокирующей способностью (при смене полярности напряжения на выводах постоянного тока).

Как видно из диаграмм фиг.2 из полупроводниковых структур управляемых вентилей 1, 2 на интервалах приложения обратного напряжения [0, t₁], [t₂, t₄], [t₅, t₇] и [t₉, t₁₀ ] могут эффективно выводиться избыточные заряды неравновесных носителей, что обеспечивает низкие коммутационные потери в них. Прямое напряжение к управляемым вентилям 1, 2 прикладывается после полного вывода избыточных зарядов неравновесных носителей. В результате возрастает стойкость управляемых вентилей 1, 2 к повышенной скорости нарастания прямого напряжения.

На фиг.2 приведены временные диаграммы сигналов на элементах при работе силовой полупроводниковой управляемой асимметричной вентильной ячейки в схемах согласованных инверторов тока с резонансной коммутацией. Положительные свойства заявляемой полезной модели проявляются и при применении ее в инверторах других классов. Но формы сигналов токов i₁i₃ и напряжений u₁, u₂ , мд будут, соответственно, отличаться от приведенных на фиг.2.

По сравнению с прототипом существенно повышается надежность работы силовой полупроводниковой управляемой асимметричной вентильной ячейки. Ячейка может быть выполнена в виде модуля заданной конструкции с уменьшенным общим числом чипов силовых вентилей любого типа. При этом коммутационные потери в управляемых вентилях и встречном диоде для схем различных классов остаются минимальными. В работающей ячейке обеспечивается эффективный вывод накопленных зарядов неравновесных носителей из базовых структур управляемых вентилей за счет более высокого (и регулируемого) уровня напряжения на них в интервалах проводимости встречного диода, что расширяет диапазон допустимых выходных частот, в котором гарантируется высокая надежность работы. В интервалах проводимости встречного диода к выключенному управляемому вентилю прикладывается напряжение оптимального уровня, равное сумме напряжений на включенном управляемом вентиле и встречном диоде (или нескольких диодах, соединенных последовательно). За счет использования общего диода полностью исключается асимметрия токов управляемых вентилей в схемах преобразователей электрической энергии на основе независимых инверторов тока с квазирезонансной коммутацией.

Применение встречных диодов на основе карбида кремния позволяет дополнительно снизить коммутационные потери и возможные перенапряжения на управляемых вентилях за счет малых зарядов обратного восстановления и собственных емкостей таких диодов.

По сравнению с прототипом, дополнительно, повышается и коэффициент полезного действия преобразовательных устройств на основе заявляемой силовой полупроводниковой управляемой асимметричной вентильной ячейки при работе на высоких частотах за счет уменьшения коммутационных потерь энергии в управляемых вентилях и встречном диоде. За счет обеспечения высокой надежности работы заявляемой вентильной ячейки на повышенных частотах могут быть расширены области применения устройств на ее основе.

Повышение надежности работы заявляемой вентильной ячейки оценивается по времени наработки на отказ, которое может быть увеличено на повышенных частотах для нее на пятьдесят и более процентов.

Силовая полупроводниковая управляемая асимметричная вентильная ячейка, содержащая подключенную к выводам постоянного тока последовательную цепь, включающую управляемые вентили, общая точка соединения которых соединена с выводом переменного тока, зашунтированную как минимум одним встречным диодом на основе карбида кремния.