УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ЗАЩИТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО КЛЮЧА ОТ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ Российский патент 2003 года по МПК H03K17/82 H02H9/02 

Область техники
Изобретение относится в общем случае к способу защиты полупроводниковых ключей от разрушения или повреждения, вызванного коротким замыканием. Настоящее изобретение в особенности относится к защите полупроводниковых ключей с ограниченной скоростью переключения.

Уровень техники
Полупроводниковые ключи обычно используются в устройствах электрического регулирования, так как они легко управляются электрическим путем и не содержат движущихся, подверженных износу частей. Тиристоры и различные виды транзисторов, например биполярные транзисторы, полевые транзисторы и биполярные транзисторы с изолированным затвором, обычно используются в качестве переключающих элементов.

На фиг. 1 изображена упрощенная схема известного бесступенчатого регулятора 11 мощности для изменения величины электрической мощности, подаваемой от источника 12 переменного напряжения к нагрузке 13, имеющей электрическое сопротивление. Регулятор мощности, показанный на фиг.1, подходит для использования в качестве, например, регулятора освещенности для осветительной арматуры, питающейся от сети. Регулятор мощности 11 содержит блок полевых транзисторов, который в данном случае состоит из двух полевых транзисторов 14 и 15, соединенных последовательно, так что сток первого полевого транзистора соединен с источником 12 переменного тока через низкоомный резистор 16 измерения тока, сток второго полевого транзистора соединен с нагрузкой 13, а истоки полевых транзисторов 14 и 15 соединены друг с другом. Затворы полевых транзисторов 14 и 15 соединены с управляющей схемой 17, регулярно испускающей соединительные импульсы для соединения полевых транзисторов в проводящее состояние в желаемый момент времени. Средняя величина электрической мощности, подаваемой к нагрузке 13, зависит от коэффициента цикличности, используемого в схеме, т.е. отношения продолжительности проводящего состояния полевых транзисторов к продолжительности цикла соединения. Продолжительность проводящего состояния полевого транзистора называется период включения.

Если имеется короткое замыкание в нагрузке 13 или сопротивление нагрузки существенно уменьшается от своего нормального значения, ток, протекающий через проводящий полевой транзистор, значительно выше, чем в нормальном режиме. В полевом транзисторе часть электрической мощности, преобразующаяся в тепло, во время короткого замыкания может быть столь велика, что перегрев во время одного периода включения разрушает или повреждает полевой транзистор в такой степени, что он уже не может работать должным образом. Для того чтобы избежать такого повреждения, в схеме, изображенной на фиг.1, имеется дифференциальный усилитель 18 для измерения падения напряжения на резисторе 16 измерения тока для посылки выходного сигнала, сообщающего значение величины тока, к управляющей схеме 17. Если ток, текущий к нагрузке, превышает свое значение, характерное для нормального режима, управляющий контур 17, реагируя на сигнал от дифференциального усилителя, не посылает импульсы напряжения затвора к полевым транзисторам, так что через полевые транзисторы ток не протекает.

Известные устройства управления с защитой от короткого замыкания требуют наличия резистора измерения тока, рассчитанного на относительно большой протекающий ток. Элемент сопротивления, соединенный последовательно, дает потерю мощности, величина которой пропорциональна величине сопротивления элемента. Потеря мощности может быть сведена к минимуму путем использования резистора измерения тока с очень малым значением сопротивления, но это в свою очередь требует более жестких допусков на изготовление измерительного контура, измеряющего напряжение на резисторе измерения тока. Жесткие допуска увеличивают стоимость изготовления.

Сущность изобретения
Задачей изобретения является создание защиты от короткого замыкания для регулятора мощности с малыми затратами на изготовление, надежного и быстродействующего, в случае, когда полупроводниковый ключ переключен в проводящее состояние при наличии напряжения на ключе.

Задача, поставленная перед изобретением, решена путем измерения изменения напряжения затвора полевого транзистора, работающего как переключающий элемент, во время операции переключения и сравнения его с напряжением между стоком и истоком, измеренным на полевом транзисторе, и разрешения или запрещения переключения полевого транзистора в проводящее состояние на основе результата этого измерения.

Отличительной особенностью регулятора мощности, выполненного согласно изобретению на основе полевого транзистора, является то, что он содержит средства для измерения изменения потенциала затвора полевого транзистора по отношению к напряжению на полевом транзисторе между истоком и стоком и средства для обеспечения разрешения либо запрета переключения полевого транзистора в проводящее состояние на основе результата этого измерения.

Настоящее изобретение также относится к способу защиты регулятора мощности от негативных воздействий чрезмерного по величине протекающего тока. Отличительной особенностью способа согласно изобретению является то, что изменение потенциала напряжения затвора полевого транзистора измеряют по отношению к напряжению на полевом транзисторе между истоком и стоком в начале управляющего импульса затвора полевого транзистора и переключение полевого транзистора в проводящее состояние разрешают либо запрещают на основе результата измерения изменения напряжения затвора.

Когда импульс напряжения приходит к затвору полевого транзистора, в нормальной ситуации напряжение затвора возрастает вначале до определенного мгновенного, значения, после чего оно на некоторое время становится почти постоянным вследствие действия так называемого эффекта Миллера. Только после этого напряжение затвора повышается до своего пикового значения. Напряжение между стоком и истоком одновременно интенсивно понижается с увеличением напряжения затвора и его постоянной фазы, существующей некоторое время, если электрический ток через полевой транзистор от стока к истоку продолжает оставаться в нормальных пределах. В случае короткого замыкания ток интенсивно возрастает, отсутствует заметное понижение напряжения между стоком и истоком и эффект Миллера не наблюдается. В устройстве защиты от короткого замыкания, предложенном согласно настоящему изобретению, напряжение затвора полевого транзистора измеряют и сравнивают с опорным напряжением, имеющим значение выше, чем значение напряжения затвора в тот момент, когда его увеличение временно останавливается вследствие действия эффекта Миллера. Если напряжение затвора превышает опорное напряжение, когда напряжение между стоком и истоком имеет большую величину, то это интерпретируется как короткое замыкание. В этом случае отсекается подача напряжения затвора к полевому транзистору.

Настоящее изобретение в особенности подходит для использования в областях применения, где желательно переключить полевой транзистор, управляющий переменным напряжением, в проводящее состояние в других фазах, отличных от нулевой точки переменного напряжения. Схема, выполненная согласно изобретению, может быть изготовлена с использованием недорогих низковольтных компонентов.

Перечень фигур
Далее изобретение будет описано более подробно со ссылками на предпочтительный вариант выполнения, приведенный в качестве примера, и со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 изображает схему известного регулятора мощности;
фиг. 2 изображает схему, иллюстрирующую принцип действия, предложенный в настоящем изобретении;
фиг.3 графически иллюстрирует некоторые величины напряжений как функциональные зависимости от времени в схеме, показанной на фиг.2, и
фиг.4 изображает в виде примера схему, выполненную согласно изобретению.

Известное решение описано выше со ссылками на фиг.1, а в нижеследующем описании изобретения и его предпочтительных компонентах ссылки даны на фиг. 2-4. На чертежах одни и те же элементы имеют одинаковые номера позиций.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Регулятор мощности 20, изображенный на фиг.2, содержит полевые транзисторы 21а и 21b, управляющий контур 22, контур 23 измерения напряжения для измерения напряжения между стоком и истоком и контур 24 измерения напряжения затвора, сравнивающие средства 25 и блок 26 для разрешения либо запрета подачи импульса напряжения к затвору полевых транзисторов 21а и 21b в зависимости от результата, полученного в сравнивающих средствах 25. Регулятор мощности регулирует величину электрической мощности, подаваемой от источника 12 переменного напряжения к нагрузке 13.

Кривые изменения напряжения, изображенные на фиг.3, значительно облегчают понимание принципа действия схемы, изображенной на фиг.2. Кривые напряжения на фиг.3 являются исключительно качественными, так что масштаб величин напряжения по вертикальной оси в рамках настоящего изобретения не имеет значения. Горизонтальная ось - это ось времени, но ее масштаб также не имеет значения применительно к настоящему изобретению. Масштаб может быть охарактеризован путем констатации того факта, что для того, чтобы уменьшить влияние высоких частот, необходимо не переключение полупроводниковых ключей регулятора мощности в проводящее состояние как можно быстрее, а сохранение значений времени переключения в диапазоне нескольких десятков микросекунд. Кривая 31 изображает напряжение U_G затвора переключающих полевых транзисторов 21а и 21b как функцию времени, когда полевой транзистор переключается в проводящее состояние и отсутствует короткое замыкание в нагрузке 13. Кривая 32 изображает напряжение между стоком и истоком полевого транзистора, когда полевой транзистор переключен в проводящее состояние и отсутствует короткое замыкание в нагрузке 13. Кривая 33 изображает напряжение U_G затвора переключающих полевых транзисторов 21а и 21b как функцию времени, когда полевой транзистор переключается в проводящее состояние и в нагрузке 13 имеется короткое замыкание. Кривая 34 изображает напряжение между стоком и истоком полевого транзистора, когда полевой транзистор переключен в проводящее состояние и в нагрузке 13 имеется короткое замыкание.

Когда управляющий контур 22 подает положительное напряжение к затвору полевых транзисторов 21а и 21b для переключения полевых транзисторов 21а и 21b в проводящее состояние, напряжение U_G затвора начинает возрастать. Если сравнить кривые 31 и 32 между собой, то можно видеть, что в начальный момент напряжение U_G затвора быстро возрастает, но этот рост приостанавливается в течение времени t₁, тогда как напряжение U_DS между стоком и истоком в течение времени t₁ быстро уменьшается. Поведение кривых напряжения обусловлено действием известного эффекта Миллера, который в свою очередь вызван неидеальными параметрами полевых транзисторов, в особенности внутренними емкостными сопротивлениями полевых транзисторов. После окончания интервала t₁ времени напряжение U_G затвора начинает возрастать до тех пор, пока оно не достигнет пикового значения, которое обозначено пунктирной линией. Следует отметить, что действие эффекта Миллера приводит к тому, что напряжение U_G затвора начинает превышать опорное напряжение U_ref только после времени, соответствующего интервалу t₁ времени, позже, чем в случае, если бы не было кратковременной остановки роста, вызванной действием эффекта Миллера.

Если в нагрузке 13 имеется короткое замыкание, напряжение U_DS между стоком и истоком полевого транзистора заметно не снижается, даже если полевой транзистор переключен в проводящее состояние, но остается почти постоянным, как показано в виде кривой 34, так как сеть, от которой поступает электрическая мощность к схеме, является жестко стабильным источником питания. Во время короткого замыкания ток, протекающий как через полевые транзисторы, так и через нагрузку, быстро возрастает. В этом случае действие эффекта Миллера не уменьшает рост напряжения U_G затвора, но оно увеличивается до своего пикового значения, как показано на кривой 33. Таким образом, напряжение U_G затвора превосходит по величине опорное напряжение U_ref заметно раньше, чем в нормальной ситуации с относительно высоким сопротивлением нагрузки 13.

Сравнивающие средства 25 сравнивают, с одной стороны, напряжение U_G затвора с опорным напряжением U_ref, а с другой стороны, отображают величину напряжения U_DS между стоком и истоком переключающего полевого транзистора.

Работа сравнивающих средств проиллюстрирована таблицей.

Параметр Х в нижнем левом углу таблицы показывает, что в этом случае величина напряжения U_G затвора не имеет значения. Подробный вариант выполнения настоящего изобретения в виде примера, описанный ниже, указывает способ определения значений напряжения U_DS - "маленькое" или "большое". Значения в правой колонке определяют, передают ли сравнивающие средства 25 инструкцию к блоку 26 относительно разрешения или запрета направления импульса напряжения затвора к полевому транзистору. Это означает, что если напряжение U_G затвора значительно выше, чем опорное напряжение, без значительного снижения в напряжении U_DS между стоком и истоком, сравнивающие средства интерпретируют это как короткое замыкание в нагрузке 13 и, соответственно, активизируется блок 26 для запрета подачи положительного напряжения, сгенерированного блоком 22, к затвору полевых транзисторов 21а и 21b.

На фиг.4 изображена схема одного варианта выполнения настоящего изобретения. Регулятор 40 мощности содержит в этом случае также два полевых транзистора Q1 и Q2, соединенных последовательно, на пути тока от источника 12 переменного тока к нагрузке 13 таким же образом, как это выполнено в известной схеме, изображенной на фиг.1. Импульсы управляющего напряжения подаются к затворам полевых транзисторов Q1 и Q2 от управляющего контура (для ясности не показан) через резистор R3. В качестве управляющего контура может быть использован известный управляющий контур. Первая цепь деления напряжения, содержащая два резистора R1a и R2 и диод D4, соединенный между резисторами, так что его анод соединен с резистором R1a, а его катод - с резистором R2, соединена параллельно первому полевому транзистору Q1, т.е. между стоком и истоком полевого транзистора. Точка между катодом диода D4 и резистором R2 соединена с затвором полевого транзистора Q3 и со стоком полевого транзистора Q4. Резисторы R1b и R2 и диод D5 образуют соответственно вторую цепь деления напряжения параллельно полевому транзистору Q2. Затворы полевых транзисторов Q1 и Q2 соединены через прямой диод D1, включенный в прямом направлении, со стоком полевого транзистора Q3, а исток полевого транзистора Q3 соединен с землей.

Резисторы R6 и R7, соединенные последовательно, образуют третью цепь деления напряжения между затворами полевых транзисторов Q1 и Q2 и землей. Точка между резисторами R6 и R7 соединена с базой биполярного p-n-p транзистора Q5, который, кроме того, соединен с эмиттером биполярного p-n-p транзистора Q6 через 5 диод D3, включенный в прямом направлении. Коллектор транзистора Q5 соединен с базой транзистора Q6 и далее с землей через шунтирующий резистор R8. Коллектор транзистора Q6 соединен с землей. Точка между катодом диода D3 и эмиттером транзистора Q6 соединена с затвором полевого транзистора Q4 и далее с землей через шунтирующий резистор R9. Цепь, образованная транзисторами Q5 и Q6 и пассивными компонентами, соединенными с ними, - это сравнивающие средства для создания положительного сигнала напряжения на затворе полевого транзистора Q4 только тогда, когда эмиттерное напряжение транзистора Q5 выше, чем напряжение затвора транзистора.

Схема, изображенная на фиг.4, работает следующим образом. Если в текущий момент имеется положительный полуцикл в источнике 12 переменного напряжения, первая цепь деления напряжения, образованная резисторами R1a и R2 и диодом D4, создает определенное положительное напряжение для того, чтобы попытаться переключить полевой транзистор Q3 в проводящее состояние. Однако если напряжение между затвором полевого транзистора Q1 и землей меньше, чем опорное напряжение, образованное от входного напряжения +U_cc (для примера +10 В) с помощью резистора R5 и стабилитрона Z1, транзисторы Q5 и Q6 останутся в непроводящем состоянии. В этом случае ток, протекающий от опорного напряжения к земле через диод D3 и резистор R9, создает положительное напряжение на затворе полевого транзистора Q4 для удержания полевого транзистора Q4 в проводящем состоянии, в результате чего напряжение, созданное первой цепью деления напряжения R1a, D4 и R2, протекает к земле через полевой транзистор Q4 и не переключает полевой транзистор Q3 в проводящее состояние.

Когда к затвору полевого транзистора Q1 через резистор R3 подается положительный управляющий импульс, напряжение затвора полевого транзистора Q1, ранее обозначенное как U_G, начинает возрастать. Если в нагрузке 13 нет короткого замыкания, то вследствие действия эффекта Мюллера рост напряжения на некоторое время останавливается на уровне, на котором часть, созданная третьей цепью R6, R7 деления напряжения, меньше, чем опорное напряжение, образованное от входного напряжения +U_cc с помощью резистора R5 и стабилитрона Z1. В этом случае полевой транзистор Q4 остается в проводящем состоянии, полевой транзистор Q1 начинает переключаться в проводящее состояние и напряжение, измеренное посредством цепи R1a, D4 и R2 деления напряжения между стоком и истоком полевого транзистора Q1, начинает понижаться. Как показано с помощью кривых 31 и 32 на фиг.3, напряжение U_DS между стоком и истоком полевого транзистора Q1 будет уменьшаться до низкого уровня, прежде чем напряжение U_G затвора полевого транзистора Q1 (и его часть, образованная третьей цепью R6, R7 деления напряжения) снова начнет возрастать. Когда напряжение базы транзистора Q5 возрастет так, что его величина превысит опорное напряжение, образованное от входного напряжения +U_cc с помощью резистора R5 и стабилитрона Z1, транзисторы Q5 и Q6 переключатся в проводящее состояние, в результате чего напряжение затвора полевого транзистора Q4 уменьшится почти до нуля и полевой транзистор Q4 переключится в непроводящее состояние. Теперь полевой транзистор Q3 мог бы быть переключен в проводящее состояние, если напряжение, образованное первой цепью R1a, D4 и R2 деления напряжения, достаточно велико, но так как время, в течение которого полевой транзистор Q1 переключался в проводящее состояние, достаточно для того, чтобы указанное напряжение успело уменьшиться, то этого не происходит.

Если при посылке положительного управляющего импульса к затвору полевого транзистора Q1 через резистор R3 в нагрузке 13 имеется короткое замыкание, увеличение напряжения затвора полевого транзистора Q1 становится непрерывным, как показано на кривой 33 на фиг.3, и здесь нет остановки его роста вследствие действия эффекта Миллера. Часть напряжения между стоком и истоком полевого транзистора Q1, образованная первой цепью R1a, D4 и R2 деления напряжения, в этом случае также пытается переключить полевой транзистор Q3 в непроводящее состояние. Проводимость полевого транзистора Q4 вначале предотвращает такое переключение, но как только часть напряжения, образованная второй цепью R6, R7, превзойдет по величине опорное напряжение, образованное от входного напряжения +U_cc с помощью резистора R5 и стабилитрона Z1, полевой транзистор Q4 переключится в непроводящее состояние. Кривая 34 на фиг. 3 показывает небольшое изменение в напряжении между стоком и истоком полевого транзистора Q1 (и таким образом часть напряжения, образованная им с первой цепью R1a, D4 и R2 деления напряжения, также почти постоянна), что приводит к переключению полевого транзистора Q3 в проводящее состояние, и управляющий импульс, подаваемый к затвору полевого транзистора Q1 через резистор R3, протекает к земле через диод D2 и полевой транзистор Q3. Полевой транзистор Q1 немедленно переключается в непроводящее состояние и, таким образом, отрезка времени, в течение которого бы через полевой транзистор Q1 протекал опасно высокий ток, не существует.

Вышеприведенное описание может быть легко применено к отрицательному полуциклу источника 12 переменного тока, во время которого полевой транзистор Q2 будет переключаться, и защита от короткого замыкания будет выполняться путем измерения напряжения затвора полевого транзистора Q2 по отношению к напряжению между стоком и истоком.

Для подобных технологий является обычным, что определенные функции можно выполнять многими различными путями, так что для специалистов в данной области очевидно, что вариант выполнения, изображенный на фиг.4, является лишь примером выполнения изобретения, описанного в заявке. Нет даже необходимости разделять компоненты, необходимые для обеспечения выполнения функций, в четко определенные блоки, как показано на фиг.2, потому что в аналоговой электронике определенные функции могут часто выполняться с помощью схемных решений с одним компонентом и/или схемой, одновременно выполняющей несколько функций, в этом случае такой тип компонента и/или контура на фиг.2 должен был бы принадлежать сразу двум блокам.

Изобретение относится к способу защиты полупроводниковых ключей от короткого замыкания. Технический результат заключается в повышении надежности и быстродействия. Регулятор мощности (РМ) для регулирования электрической мощности, подаваемой от источника напряжения (ИН) (12) к нагрузке (Н) (13) содержит полевой транзистор (ПТ) (21) для обеспечения разрешения либо запрета прохождения тока от ИН (12) к Н (13) в качестве реакции на присутствие управляющего импульса (УИ), передаваемого к затвору (З) ПТ (21). РМ содержит средства (24) для измерения изменения потенциала З ПТ (21) и для обеспечения разрешения либо запрета прохождения УИ на основе измерения изменения потенциала З. В РМ УИ позволяет переключать ПТ (21) в проводящее состояние (ПС), когда выявляется остановка в росте напряжения вследствие действия эффекта Миллера в начале действия УИ, и УИ соответственно не обеспечивает переключение ПТ (21) в ПС, когда не выявляется остановка роста. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 1 табл., 4 ил.

1. Регулятор мощности для регулирования мощности, подаваемой от источника напряжения к нагрузке, содержащий полевой транзистор для обеспечения разрешения либо запрета прохождения тока от источника напряжения к нагрузке в качестве реакции на присутствие управляющего импульса, передаваемого к затвору полевого транзистора, отличающийся тем, что он содержит средства для измерения изменения потенциала затвора полевого транзистора относительно напряжения на полевом транзисторе между истоком и стоком и средства для обеспечения разрешения либо запрета прохождения управляющего импульса на основе изменения потенциала затвора. 2. Регулятор мощности по п. 1, отличающийся тем, что он содержит средства для измерения напряжения между стоком и истоком указанного полевого транзистора и средства для сравнения потенциала затвора полевого транзистора с заданным опорным напряжением, в результате чего средства, обеспечивающие разрешение либо запрет на прохождение управляющего импульса, находятся в таком состоянии, чтобы разрешить прохождение управляющего импульса в ситуации, когда напряжение между стоком и истоком полевого транзистора имеет высокое значение и потенциал затвора полевого транзистора меньше, чем указанное опорное напряжение, а также в ситуации, когда напряжение между стоком и истоком полевого транзистора имеет небольшое значение, так, чтобы запретить прохождение управляющего импульса в ситуации, когда напряжение между стоком и истоком полевого транзистора имеет высокое значение, а потенциал затвора полевого транзистора выше, чем указанное опорное напряжение. 3. Способ защиты регулятора мощности от негативных воздействий чрезмерного по величине протекающего тока, причем указанный регулятор напряжения содержит полевой транзистор для обеспечения разрешения, либо запрета прохождения тока от источника напряжения к нагрузке в качестве реакции на присутствие управляющего импульса, передаваемого к затвору полевого транзистора, отличающийся тем, что включает операцию измерения изменения потенциала затвора указанного полевого транзистора в начале управляющего импульса относительно напряжения на полевом транзисторе между истоком и стоком и тем, что включает операцию обеспечения разрешения либо запрета прохождения управляющего импульса для переключения полевого транзистора в проводящее состояние на основе измерения напряжения затвора полевого транзистора. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что включает операции измерения напряжения между истоком и стоком указанного полевого транзистора, а также сравнения напряжения затвора полевого транзистора с заданным опорным напряжением, в результате чего обеспечивается разрешение переключения полевого транзистора в проводящий режим с помощью управляющего импульса, когда напряжение между стоком и истоком полевого транзистора имеет высокое значение и потенциал затвора полевого транзистора меньше, чем указанное опорное напряжение, и когда напряжение между стоком и истоком полевого транзистора имеет небольшое значение, в результате чего обеспечивается запрет на прохождение управляющего импульса для переключения полевого транзистора в проводящий режим, когда напряжение между стоком и истоком полевого транзистора имеет высокое значение, а потенциал затвора полевого транзистора выше, чем указанное опорное напряжение.