УСТРОЙСТВО УСТАНОВКИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 1998 года по МПК H02H9/02 H02H9/04 

Изобретение относится к устройству установки переменного тока, которое работает по меньшей мере с двумя антипоследовательными полупроводниковыми областями. Полупроводниковые области, которые снабжены соответственно источником электронов (исток), коллектором электронов (сток) и управляющим электронным потоком управляющим электродом (затвор), имеют характеристики, как полевые транзисторы. Согласно современному уровню знаний они технологически обусловленно содержат в инверсном режиме также внутренний объемный диод.

С двумя антипоследовательными полевыми транзисторами работает известный силовой выключатель (WO 93/11608), при котором электрически параллельно к полупроводниковому элементу с двумя антипоследовательными полевыми транзисторами расположено размыкающее звено действующего в качестве реле конструктивного элемента, которое посредством прерывающих контактов может прерывать защищаемую линию. Полупроводниковый элемент там отрегулирован таким образом, что его внутреннее сопротивление при определенном управляющем напряжении на управляющем электроде и рабочем напряжении на лежащих в прямом направлении (направление пропускания) по ходу линии рабочих электродах имеет низкое значение и его внутреннее сопротивление с увеличением напряжения на рабочих электродах скачкообразно увеличивается. При росте внутреннего сопротивления на параллельно расположенном размыкающем звене приложено напряжение, которое приводит к размыканию.

Электрические установки должны подключаться к сети или соответственно отделяться от сети. При механических выключателях имеют место оптимальные решения, которые на практике удовлетворяют техническим требованиям, например, в приводах, устройствах защиты электродвигателя относительно защиты от перегрузки и короткого замыкания. Вообще в устройствах защиты, к которым относятся силовые выключатели, устройства защиты электродвигателя или устройства защиты линий, является желательным быстро регистрировать и ограничивать до возможно малых значений и, наконец, отключать появляющиеся токи перегрузки, в частности токи короткого замыкания. Недостатками механических устройств защиты является износ контактов, частое техническое обслуживание и сравнительно медленное время срабатывания в случае короткого замыкания, а также сравнительно малая временная точность момента коммутации.

Полупроводниковые выключатели могут в противоположность этому работать без износа, быстро коммутировать; они имеют малые потери на коммутацию и могут различным образом управляться. Недостатками полупроводниковых выключателей в противоположность этому являются: высокие расходы, большая потребность в площади и сравнительно высокие потери в прямом направлении.

При общем рассмотрении часто является желательным быстро ограничивать переменные токи до определенных значений, так чтобы сверхтоки были терпимыми или чтобы, таким образом, оставалось время для отключения. Полупроводниковые элементы могут также работать таким образом, что они понижают ток вплоть до отключения.

В основе изобретения лежит задача разработки предпочтительного устройства для установки переменного тока в полупроводниковой технике. В основе изобретения лежит знание того, что представленные ранее приборы и элементы могут быть выполнены как устройства для установки переменного тока в самом широком смысле.

Решение названной задачи осуществляется согласно изобретению за счет устройства для установки переменного тока согласно пункту 1 формулы изобретения. При этом при антипоследовательных полупроводниковых областях на полупроводниковой области в прямом направлении напряжение затвор-исток установлено настолько большим, что устанавливается желаемое ограничение тока сток-исток. На полупроводниковой области в инверсном режиме напряжение затвор-исток установлено так, что объемный диод еще обесточен. Вторая полупроводниковая область имеет, таким образом, при этом токе такое падение напряжения, что ее объемный диод еще обесточен. В основе изобретения лежит знание того, что потери в прямом направлении при соответствующих полупроводниковых элементах складываются из потерь в переключающем элементе и из потерь в часто включенных последовательно безынерционных диодов. При устройстве установки переменного тока отдельные безынерционные диоды являются ненужными, так как биполярные механизмы проводимости и связанные с ними накопительные заряды не появляются. Поэтому не нужны ни отдельные бизынерционные диоды, ни обусловленные полупроводниковой техникой объемные диоды не проявляют своего действия. Поэтому устройство установки переменного тока работает с особенно низкими статическими и динамическими потерями. Под статическими потерями понимают потери при прохождении тока, а под динамическими потерями понимают потери на переключение.

Если полупроводниковые области выполнены из карбида кремния, SiC, то в поле характеристик получаются особенно большие и выгодные рабочие области. Полупроводниковые области могут быть выполнены в кристалле микросхемы или также в виде дискретных полевых транзисторов.

На фиг. 1 представлено устройство установки переменного напряжения; на фиг. 2 представлены зависимости для полупроводниковой области ток сток-исток, I_DS, от напряжения сток-исток, U_DS, для параметра с напряжением затвор-исток, U_GS, вблизи точки начала координат для двух антипоследовательных областей; на фиг. 3 в другом масштабе с привлечением более высоких напряжений сток-исток представлено поле характеристик для I_DS на ординате и U_DS на абсциссе для антипоследовательно включенных полупрооводниковых областей.

Устройство установки переменного тока согласно фиг. 1 работает с двумя антипоследовательными полупроводниковыми областями 1 и 2, которые в примере выполнения представлены в виде дискретных полевых транзисторов. Каждая полупроводниковая область имеет исток 3 сток 4 и затвор 5. В прямом направлении, например, на полупроводниковой области 1 напряжение затвор-исток 6, U_GS1, установлено таким большим, что устанавливается желаемое ограничение тока сток-исток. Напряжение затвор-исток при этом является параметром для линий ограничения тока, как они представлены на фиг. 3. На полупроводниковой области в инверсном режиме, в примере выполнения согласно фиг. 1 это полупроводниковая область 2, напряжение затвор-исток 7, U_GS2, установлено только настолько большим, чтобы объемный диод 8 был обесточен. При полевом транзисторе из карбида кремния пороговое напряжение, например, составляет 2,8 В. В случае кремния обычными являются пороговые напряжения порядка 0,7 В. Напряжение затвор-исток на полупроводниковой области 2 должно тогда устанавливаться так, чтобы падение напряжения в рабочей цепи было ниже, чем пороговое напряжение объемного диода.

Полупроводниковые области 1 и 2 могут быть образованы из карбида кремния и, в частности, быть выполнены в кристалле микросхемы. Полупроводниковые области могут быть также выполнены в виде дискретных полевых транзисторов, в частности МОП-полевых транзисторов.

В устройстве установки переменного тока согласно фиг. 1 достаточным является управление затвором для обеих полупроводниковых областей 1, 2 в обоих направлениях тока, конечно, до различно высокого потенциала. Устройство установки переменного тока устанавливает ток I при положенном напряжении U в зависимости от напряжения затвор-исток 6, 7 до желаемого значения в рабочем поле характеристик.

В полупроводниковой области с такими характеристиками, которые имеют полевые транзисторы, при антипоследовательно включенных полупроводниковых областях при малых напряжениях сток-исток получаются характеристики согласно фиг. 2. С ростом напряжения затвор-исток, U_GS, в качестве параметра, характеристики, начиная с точки начала координат, все сильнее приближаются к прямой 9, R_ON. При другом способе рассмотрения при высоких напряжениях затвор-исток достигается крутая характеристика для сопротивления R_ON, то есть очень низкое сопротивление во включенном состоянии (ON-сопротивление). Эта интерпретируемая как сопротивление характеристика имеет линейное, то есть омическое, поведение. При антипоследовательном включении характеристики и R_ON проходят в первом и третьем квадрантах. Например, при карбиде кремния вызванное R_ON падение напряжения в прямом направлении явно ниже, чем пороговое напряжение объемного диода.

На фиг. 3 представлено поле характеристик по типу фиг. 2 вплоть до более высоких напряжений сток-исток и параметров с более высоким напряжением затвор-исток в другом масштабе. Для напряжений затвор-исток получаются характеристики, ограничивающие ток сток-исток примерно параллельно к абсциссе. Для простоты предположим, что для полупроводниковых областей использованы полевые транзисторы, работающие по обогащенному типу (Enhancement), которые являются самозапирающими и имеют n-канал. Принцип представления на фиг. 1 корреспондирует с этим. Объемные диоды 8 дают наложение с характеристикой 11 в первом и третьем квадрантах. Работу на характеристике 11, которая показывает, что объемный диод становится эффективным параллельно к рабочей цепи полупроводниковой области в запирающем направлении, можно избежать, если на полупроводниковой области в инверсном режиме напряжение затвор-исток устанавливают только настолько большим, чтобы объемный диод еще был обесточен, так чтобы, другими словами, остаться в рабочей области между абсциссой и граничной линией 12 путем точки пересечения R_ON-сопротивления 9 с характеристикой 11 для объемного диода.

Таким образом, при любом виде работы избегают биполярных механизмов проводимости, так что накопительные заряды не появляются, за счет чего поддерживаются низкими статические и динамические потери устройства установки переменного тока.

За счет подходящего напряжения затвор-исток в качестве параметра в поле характеристик согласно фиг. 3 можно устанавливать желаемый ток сток-исток при перенапряжениях. В нормальном режиме работы устройства установки переменного тока соответственно характеристике 9 для R_ON-сопротивления возникают только низкие потери, которые являются тем ниже, чем круче проходит характеристика 9. При карбиде кремния и, в частности, при структуре по типу МОП-полевого транзистора согласно фиг. 1 является возможным, например, действовать в смысле ограничения тока примерно между 300 и 5000 В для напряжения U. Соответствующее напряжение затвор-исток может быть получено известным по себе путем с помощью схемы управления 10 согласно фиг. 1. Если соответственно на полупроводниковой области в инверсном режиме напряжение затвор-исток устанавливают только таким большим, что объемный диод соответствующей полупроводниковой области еще был обесточен, то нет необходимости в отдельных безынерционных диодах для снижения динамических потерь, так как они в основном вообще не появляются.

Описанное здесь устройство установки переменного тока может найти применение самого различного вида. Так, например, оно может использоваться последовательно с обычными устройствами защиты в качестве отдельного ограничителя (Limiter), причем ток в ограничителе ограничивается до определенного значения при перенапряжениях. В номинальном режиме оно имеет, с другой стороны, такое низкое сопротивление, что статические потери остаются низкими. Устройство установки переменного тока может быть выполнено также в виде переключателя, который при соответствующем напряжении затвор-исток при перенапряжениях вначале ограничивает ток до заданной степени и при соответственно текущих пониженных напряжениях затвор-исток понижает ток. Устройство установки переменного тока может быть в общем привлечено для установки определенного тока I в рабочей области независимо от напряжения U.

Устройство установки переменного тока, которое работает по меньшей мере с двумя антипоследовательными полупроводниковыми областями. Каждая полупроводниковая область имеет источник электронов, коллектор электронов и управляющий электронным потоком управляющий электрод при характеристиках, которые имеют полевые транзисторы. Технологически обусловленно полупроводниковая область имеет также внутренние объемные диоды. Предусмотрено, что на первой полупроводниковой области в прямом направлении напряжение затвор-исток установлено настолько большим, что устанавливается желаемое ограничение тока сток-исток. На второй полупроводниковой области в инверсном режиме напряжение затвор-исток установлено так, что объемный диод еще является обесточенным. При этом уменьшаются потери мощности. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для ограничения переменного тока, содержащее по меньшей мере две соединенные встречно-последовательно полупроводниковые области, каждая с истоком, стоком и затвором и характеристиками, соответствующими характеристикам полевого транзистора, кроме того, схему управления, отличающееся тем, что схема управления обеспечивает установку напряжения затвор-исток полупроводниковой области, работающей в режиме прямого включения, величина которого выбирается из условия ограничения тока сток-исток полупроводниковой области, работающей в режиме прямого включения, до заданного значения, кроме того, схема управления обеспечивает установку напряжения затвор-исток полупроводниковой области, работающей в режиме инверсного включения, величина которого выбирается из условия ограничения падения напряжения в рабочей цепи полупроводниковой области, работающей в режиме инверсного включения, ниже порогового напряжения ее объемного диода при прохождении через нее тока равного упомянутому заданному значению. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что полупроводниковые области выполнены из карбида кремния (SiC). 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что полупроводниковые области сформированы в кристалле микросхемы. 4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что полупроводниковые области выполнены в виде дискретных полевых транзисторов.