ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ КОММУТАТОР С ДИНАМИЧЕСКИМ ОГРАНИЧЕНИЕМ ЭНЕРГИИ Российский патент 2014 года по МПК H03K3/57 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение касается высоковольтной преобразовательной техники.

Прежде всего, предлагаемое техническое решение предназначено для построения высоковольтных коммутаторов терапевтических разрядов энергии в медицинских спасательных устройствах - дефибрилляторах. Кроме того, изобретение может применяться в устройствах промышленной и специальной техники.

Уровень техники

Для формирования терапевтического разряда при применении

дефибриллятора используют электронные ключи с ограниченным максимально допустимым напряжением в закрытом состоянии, которые формируют в нагрузке (сердце пациента) энергию требуемой формы и полярности из энергии заряженного высоковольтного конденсатора или батареи конденсаторов. Например, биполярные импульсы формируют с помощью мостовой электрической схемы Н-образной формы (Н-моста) с двумя парами высоковольтных электронных ключей.

В патенте PCT/IB2005/052981, зарегистрированном 12.09.2005 года (Koninklijke Philips Electronics N.V.), описан модуль для дефибриллятора, содержащий Н-мост, выполненный на четырех электронных ключах, содержащих по одному управляемому силовому полупроводниковому прибору. Высоковольтные детали модуля заключены в диэлектрический материал. Одним из недостатков модуля является то, что требуется учитывать коммутационные емкостные токи, уровень которых возрастает за счет роста паразитных емкостей в среде диэлектрического материала по сравнению с воздушной средой. Следует заметить, что недостатки и преимущества технологии изготовления компактных полупроводниковых устройств путем герметизации их диэлектрическими материалами были известны с середины 20 века. В описанном модуле используют высоковольтные полупроводниковые приборы на напряжение, превышающее 2000 В, которые существенно дороже, чем, например, приборы с напряжением до 1600 В. Полупроводниковые приборы используют на пределе их блокирующей способности, которую может обеспечить технология их изготовления. Для отсечки нежелательных токов утечки применено реле изоляции, содержащее движущиеся контакты.

Под током утечки подразумевается повторяющийся импульсный обратный ток для диодов; повторяющийся импульсный обратный ток и повторяющийся импульсный ток в закрытом состоянии для тиристоров; ток утечки коллектор-эмиттер для транзисторов. Максимально допустимые токи утечки закрытого состояния управляемых силовых полупроводниковых приборов устанавливаются их производителями от уровня 50 мкА при 25°С (см. каталог фирмы IXYS).

В более ранней, по отношению к описанному техническому решению, заявке на изобретение РФ №2005116183, зарегистрированной 27.05.2005 года, автором этих строк описан модуль для коммутации энергии, позволяющий формировать высоковольтные биполярные импульсы. Модуль предназначен для применения в изделиях медицинской техники и может использоваться в портативных дефибрилляторах без использования реле изоляции. Электронные ключи составлены из двух последовательно соединенных управляемых полупроводниковых приборов и не содержат шунтирующие защитные цепи. Составные ключи образуют высоковольтный Н-мост и имеют максимальное напряжение в закрытом состоянии, почти в два раза превышающее максимальное напряжение одиночных электронных ключей. Компоненты размещены на изолирующих подложках, а так же между подложками, образуя арматуру модуля. Арматура устанавливается в пластмассовый корпус и герметизируется изолирующими слоями герметика. Техническое решение обеспечивает компактную конструкцию коммутатора для монтажа на печатную плату (см. также патент РФ на промышленный образец №62358 и технические условия АКСИ. 435.722.003 на модуль МТМИ 1-28-6, который серийно выпускается в РФ для применения в дефибрилляторах с 2004 года). В описании к заявке №2005116183 не раскрывается, за счет чего устраняются перенапряжения на последовательно соединенных полупроводниковых приборах в составном ключе, вызванные различиями их параметров. Различия параметров могут быть обусловлены и естественным технологическим разбросом и различными условиями охлаждения (нагрева).

Известно, что наибольшие трудности по предотвращению отказов последовательно соединенных полупроводниковых приборов возникают при динамическом режиме работы, особенно при выключении. При включении полупроводниковых приборов проблема решается установкой, соответствующей индуктивности в их цепи. Перенапряжения, вызванные неравномерным распределением напряжения в ходе коммутации, превышающие некоторый критический уровень, вызывают разрушение составного ключа или его неуправляемое переключение.

Известны способы защиты от перенапряжений на последовательно соединенных полупроводниковых приборах. Обычные правила проектирования включают применение динамической синхронизации, использование шунтирующих пассивных или активных защитных цепей, использование устройств, контролирующих выравнивание напряжения. Недостаток таких решений - снижаются изолирующие свойства составных ключей в закрытом состоянии, искажается форма тока, увеличиваются размеры коммутатора.

Например, в техническом решении, описанном в патенте US5733310, для получения высоковольтных электронных ключей используют последовательное соединение двух транзисторов и индуктивный накопитель энергии. Транзисторы шунтируют защитными цепями. На приведенных в описании патента временных диаграммах коммутируемые сигналы имеют высокую скорость нарастания и спада. Недостаток такого решения - для исключения тока утечки транзисторов и их защитных цепей в цепи нагрузки вынуждены использовать реле изоляции с движущимися контактами. Контакты реле постоянно находятся в разомкнутом состоянии. Замыкаются контакты только на время выполнения разряда. Такое решение позволяет уменьшить разряд емкостного накопителя энергии в длительном режиме ожидания и исключить негативное влияние токов утечки на нагрузку. Например, низкие значения тока утечки и высокое блокируемое напряжение коммутатора в дефибрилляторе позволяют проводить терапевтический разряд даже на открытое сердце, а также исключить путь тока через дефибриллятор при воздействии внешнего источника высокого напряжения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятый за прототип является коммутатор, описанный в патенте РФ №2398347. Коммутатор содержит блок высоковольтных электронных ключей и быстродействующий коммутатор. Быстродействующий коммутатор позволяет формировать в нагрузке регулируемые по форме импульсы. Возможна работа коммутатора при коротком замыкании в нагрузке в режиме динамического ограничения тока. В описании не раскрывается конструкция высоковольтных ключей и влияние на конструкцию этих ключей формы напряжения (тока), подаваемого быстродействующим коммутатором.

Раскрытие изобретения

Изобретение направлено на создание надежного, полупроводникового, высоковольтного коммутатора с динамическим ограничением энергии, который был бы пригоден для дозированного разряда электрической энергии (например, при напряжении на нагрузке более 2000 В). Коммутатор должен обеспечивать крайне низкие токи утечки в цепи нагрузки в режиме ожидания разряда.

Другой целью изобретения является снижение стоимости высоковольтных полупроводниковых ключей, которые входят в состав коммутатора.

Изобретение создано при разработке коммутатора для дефибриллятора, формирующего в нагрузке энергию требуемой формы и полярности.

В соответствии с настоящим изобретением высоковольтный коммутатор предназначен для формирования в нагрузке импульсов энергии одной полярности и/или импульсов энергии противоположной полярности при дозированных разрядах, как минимум, одного высоковольтного источника энергии (например, заряженной батареи конденсаторов). Высоковольтный коммутатор работает под управлением, по меньшей мере, одного контроллера. В состав коммутатора входят блок электронных ключей, пропускающий ток нагрузки в заданном направлении, и быстродействующий коммутатор, обеспечивающий динамическое изменение тока нагрузки.

В состав блока электронных ключей входит, как минимум, один составной ключ, состоящий из двух или более последовательно соединенных управляемых силовых полупроводниковых приборов и соответствующих устройств управления. Сочетание параметров полупроводниковых приборов определяют предельно допустимые значения и статические характеристики закрытого состояния высоковольтного коммутатора. Быстродействующий коммутатор настроен на формирование режима безопасного переключения составных ключей при их переходах из одного стационарного состояния в другое стационарное состояние (например, при выключении одних электронных ключей и последующем включении других электронных ключей). Режим обеспечивается за счет ограничения подаваемой в цепь блока электронных ключей скорости нарастания или спада тока (напряжения) в течение времени переключения ключей, при нормальной работе коммутатора или при случайных отклонениях от нормальной работы. Режим ограничения наступает, по меньшей мере, начиная с некоторых критических уровней тока (напряжения).

Коммутатор настроен на обеспечение безопасного электрического режима работы высоковольтных электронных ключей, а так же для регулирования тока нагрузки, с возможностью задания для импульсов тока нагрузки, предопределенной и/или адаптируемой к текущим условиям формы.

Коммутатор настроен для динамического формирования скорости нарастания (спада) тока или напряжения переменной крутизны. Ограничение напряжения (тока) быстродействующим коммутатором может обеспечиваться от (до) нулевого уровня или от (до) некоторого заданного уровня. Полупроводниковые приборы, входящие в составные ключи, выполнены по одной технологии или по различным технологиям.

Коммутатор подключен к нескольким высоковольтным источникам (к нескольким заряженным конденсаторам). Быстродействующий коммутатор выполнен с использованием металлооксидных варисторов.

В блок электронных ключей введена Н-образная мостовая схема, состоящая, по меньшей мере, из двух пар высоковольтных электронных ключей, именуемая в дальнейшем изложении Н-мостом. Одна пара ключей Н-моста задает в нагрузке положительную фазу импульса тока, а другая пара ключей задает отрицательную фазу импульса тока. Хотя бы один из ключей Н-моста содержит составной ключ (например, на тиристорах, биполярных транзисторах с изолированным затвором или МДП-транзисторах).

Составные ключи подобранны по заданному сочетанию статических параметров закрытого состояния входящих в них полупроводниковых приборов. При чрезмерном нарастании тока через блок электронных ключей в статическом режиме быстродействующий коммутатор переходит в режим ограничения тока.

Быстродействующий коммутатор используется для формирования тестовых импульсов тока.

Быстродействующий коммутатор обеспечивает автоматическую компенсацию отклонений от предустановленного электрического режима в любой момент времени.

Высокое напряжение высоковольтного источника устанавливают исходя из требуемого уровня энергии, подаваемой в нагрузку без предварительного тестирования сопротивления нагрузки, а электрический режим нагрузки формируют с помощью быстродействующего коммутатора.

Элементы коммутатора или часть его элементов, включающая составные ключи, размещены в объемной конструкции с использованием изолирующих подложек и расположены так, чтобы уменьшить размеры коммутатора. Элементы коммутатора введены в конструкцию модуля с выполнением, по меньшей мере, части изоляционных промежутков между деталями с высоким напряжением с помощью нескольких слоев герметика (или различных типов герметика) со стабильными диэлектрическими свойствами. По меньшей мере, первый слой герметика между цепями с высоким напряжением обеспечивает максимально возможный уровень сопротивления изоляции и минимально возможный уровень частичных разрядов в среде герметика. Нанесенный слой герметика не вызывает критического перераспределения напряжения между полупроводниковыми приборами в одном составном ключе во всех возможных режимах эксплуатации. Механическая прочность конструкции обеспечивается первым и/или последующими слоями герметика после его отверждения и корпусом модуля. Изоляционные промежутки между смежными металлическими проводниками модуля, к которым прикладывается высокое напряжение, выходящими из модуля в воздушную среду, выполнены с учетом минимально возможной электрической прочности воздушной среды и фактических размеров присоединяемых контактов внешней схемы.

Настоящее изобретение также описывает способ применения составных ключей, который заключается в том, что при коммутации составных ключей обеспечивают принудительное динамическое ограничение подаваемого к ним тока (напряжения) со скоростью нарастания или спада, не превышающих заданных максимально допустимых значений. Время нарастания (спада) устанавливается с учетом длительности интервалов времени, в течение которых обеспечивается переход всех силовых полупроводниковых приборов составных ключей из одного стационарного состояния в другое стационарное состояние. Параметры ограничения выбирают таким образом, что для всех возможных условий эксплуатации коммутатора исключаются импульсные электрические перегрузки составных ключей. Составные ключи используют в статических режимах. В режиме ожидания разряда они изолируют нагрузку от высоковольтной цепи с током утечки, который не превышает максимально допустимого тока утечки. Максимально допустимый ток утечки задают таким образом, чтобы он не вызывал критической асимметрии напряжения закрытого состояния на управляемых силовых полупроводниковых приборах составного ключа, приводящей к его необратимому пробою. В режиме разряда составные ключи используют для формирования выбранного пути прохождения тока в нагрузку. Ток открытого состояния составных ключей ограничивают в динамическом режиме с целью недопущения локального критического перегрева составных ключей.

Описание чертежей

На фигуре 1 изображена базовая схема высоковольтного электронного ключа на основе составного ключа.

На фигуре 2 изображен график неоптимального повышения напряжения на выключаемом составном ключе с перенапряжением.

На фигуре 3 изображен график оптимального повышения напряжения на выключаемом составном ключе без перенапряжения.

На фигуре 4 изображена схема высоковольтного коммутатора с динамическим ограничением тока (напряжения).

На фигуре 5 изображена схема для формирования сигнала положительной и отрицательной полярности на основе Н-моста из составных ключей.

На фигуре 6 изображена схема для формирования сигнала положительной и отрицательной полярности с использованием изолирующего реле из известных технических решений.

На фигуре 7 изображен график оптимального импульса тока, подаваемого в составной ключ при динамическом регулировании тока с использованием высокочастотной импульсной модуляции.

На фигуре 8 изображен внешний вид высоковольтного модуля коммутации энергии для дефибриллятора.

Осуществление изобретения

На фигуре 1 изображена базовая схема составного высоковольтного электронного ключа 1, далее по тексту составной ключ 1, который содержит последовательно соединенные силовые полупроводниковые приборы 2. Силовые полупроводниковые приборы 2 выполняются на основе технологии биполярных транзисторов с изолированным затвором, далее БТИЗ, однооперационных триодных тиристоров (ОТТ), далее тиристоров, МДП-транзисторов или на основе других технологий. К полупроводниковым приборам 2 подключены изолированные устройства управления 3. Изоляция в устройствах управления 3 для составного ключа 1 может обеспечиваться с использованием индуктивной, емкостной или оптической связи. Последовательное соединение полупроводниковых приборов используют для получения ключей 1 с высоким блокирующим напряжением и малыми токами утечки. Параметры составного ключа 1 определяются комбинацией характеристик установленных в нем полупроводниковых приборов 2 и параметрами изолирующих устройств управления 3. Полупроводниковые приборы 2 предварительно группируют по требуемому сочетанию статических параметров вольтамперной характеристики закрытого состояния на основе известных методов. Изолированные входы устройств управления 3 подключены к управляющему сигналу 4, который подключен к точке низкого потенциала 5. Когда ключ 1 выключен, при наличии напряжения между входом и выходом ключа 1, через него протекает ток утечки закрытого состояния, который должен иметь минимально возможное значение. Когда ключ 1 включен, падение напряжения между его входом и выходом должно иметь минимально возможное значение.

Для реальных полупроводниковых приборов 2, при переходе от одного стационарного состояния, например, «включено» к другому стационарному состоянию «выключено», требуется определенное время. Это время может иметь различное значение, но все же оно не выходит за определенный временной интервал. Так же, на фигуре 1 показаны паразитные емкости 6 полупроводниковых приборов 2 и паразитные емкости 7 изолирующих устройств управления 3 относительно цепей низкого потенциала 5. Через емкости 6 и 7 при переключении электронного ключа 1 проходят импульсные токи, амплитуда которых определяется по известному закону коммутации на емкости. Значения емкостей 6 и 7 определяются физической конфигурацией ключа 1 относительно цепей низкого потенциала. Токи через емкости 6 и 7 способствуют неравномерному распределению напряжения на полупроводниковых приборах при коммутации, даже при идеальном совпадении динамических параметров, и могут негативно влиять на выполнение коммутационных операций. В цепи протекания тока ключа 1 присутствует так же индуктивность 8, которая способна вызвать перенапряжение, амплитуда которого определяется по известному закону коммутации на индуктивности.

На фигуре 2 показан график повышения напряжения на выключаемом ключе 1 с импульсным перенапряжением U_макс. На фигуре 3 показан график идеально сформированного напряжения на выключаемом ключе 1, без перенапряжения U_макс и меньшими токами через емкости 6 и 7 (см. фигуру 1). Время нарастания напряжения на фигуре 2 значительно меньше времени нарастания напряжения на фигуре 3 (t_нap1<t_нap2). Если выключаемый ключ 1 выполнен из полупроводниковых приборов 2 с максимальным временем выключения t_{выкл_макс}>t_нap1, то требуются специальные меры для исключения критических перенапряжений. При этом суммарное максимальное напряжение ключа 1 U_{макс_раб} не должно быть меньше, чем перенапряжение U_макс (см. фигуру 2). Специальные меры по предотвращению критических перенапряжений на полупроводниковых приборах 2 не потребуются, если выполнены следующие условия:

- выключаемый ключ 1 составлен из полупроводниковых приборов 2 с временами выключения, значительно меньшими, чем время нарастания напряжения (t_{выкл_макс}<<t_нар2);

- токи через паразитные емкости 6 не вызывают критического перераспределения напряжения закрытого состояния полупроводниковых приборов 2 при переключении;

- токи через паразитные емкости 7 не вызывают критического изменения задержки переключения полупроводниковых приборов 2;

- индуктивность цепи 8 не вызывает недопустимых выбросов амплитуды напряжения при коммутации;

- максимально возможный статический ток утечки, протекающий через составной ключ, не вызывает критической асимметрии напряжения закрытого состояния на полупроводниковых приборах 2.

При строго заданном ограничении на скорость нарастания или спада поставляемого в составной ключ 1 тока (напряжения), учитывающего вышеназванные условия, для надежной работы составного ключа 1 имеют значение его статические параметры. Закрытые составные ключи 1 можно использовать в режиме ожидания разряда для изоляции нагрузки от высоковольтной цепи с задаваемым максимально допустимым значением тока утечки закрытого состояния. Например, ток утечки закрытого состояния составного ключа может составлять 10 мкА, а напряжение закрытого состояния входящих в него составных ключей может распределяться в диапазоне от 70 до 90% максимально допустимого значения напряжения. Так же, составные ключи 1 можно использовать для обеспечения требуемого пути прохождения тока от высоковольтной цепи в нагрузку. Амплитуду тока открытого состояния составных ключей желательно ограничивать в динамическом режиме таким образом, чтобы обеспечить тепловой режим составных ключей, при котором ток утечки закрытого состояния находился бы в допустимых пределах.

Пример 1. На фигуре 4 показана структурная схема высоковольтного коммутатора с динамическим ограничением энергии. Высоковольтный коммутатор содержит высоковольтный источник напряжения 9 (один или более), подключенный через быстродействующий коммутатор 10 и блок электронных ключей 11 к нагрузке 12. Контроллер 13 через шину управления 14 подключен к управляющему входу быстродействующего коммутатора 10. Через шину управления 15 контроллер 13 подключен к управляющему входу блока электронных ключей 11. Высоковольтный источник напряжения 9 содержит заряженные конденсаторы. Быстродействующий коммутатор 10 содержит полностью управляемые электронные ключи, например на основе технологии БТИЗ. Быстродействующий коммутатор 10 способен задавать динамические параметры напряжения или тока, подаваемого в цепь блока электронных ключей 11. Управление параметрами напряжения или тока может обеспечиваться с помощью контроллера 13. Параметры быстродействующего коммутатора 10 могут предварительно задаваться для всех возможных режимов работы: малой или максимальной нагрузки, холостого хода или отключения при аварийном токе. Режим модуляции может быть предопределен или динамически адаптирован с возможностью защиты блока электронных ключей 11 от воздействия высокого тока, воздействия высоких значений di/dt и du/dt, высоких потерь переключения или сочетания перечисленных факторов.

Примеры выполнения быстродействующего коммутатора 10 описаны в патенте РФ №2398347 (прототип) и в заявке на изобретение РФ №2012107374, поданных автором этих строк. Быстродействующий коммутатор может содержать известные энергетически эффективные преобразователи, использующие высокочастотную импульсную модуляцию. Для получения сглаженной должным образом формы импульсов, поставляемых в блок электронных ключей 11, могут использоваться и другие подходящие технические решения. При этом быстродействующий коммутатор 10 предварительно настраивается для формирования скорости нарастания (спада) тока или напряжения переменной крутизны с учетом индуктивности цепи. Ограничение напряжения (тока) может обеспечиваться от (до) нулевого уровня или от (до) некоторого заданного уровня. Блок электронных ключей 11 может содержать один или несколько составных ключей 1 (см. фигуру 1) с различными схемами соединения, формирующими выбранный путь тока через нагрузку.

Пример 2. Четыре составных ключа 16, 17, 18, 19 блока электронных ключей 11 образуют известную мостовую схему Н-образной формы (см. фигуру 5). Составные ключи 16, 17, 18, 19 не нуждаются в демпферах, которые в обычных схемах обеспечивают безопасную работу ключей. К ключам 16 и 17 подключен сигнал управления 20. К ключам 18 и 19 подключен сигнал управления 21. Между точками соединения ключей 16, 19 и 17, 18 установлена нагрузка 12. Точка соединения ключей 16 и 18 через быстродействующий коммутатор 10 подключена к верхнему выводу высоковольтного источника 9. Точка соединения ключей 19 и 17 подключена к нижнему выводу источника 9.

Коммутатор работает следующим образом:

1. Все ключи коммутаторов 10 и 11 закрыты, коммутатор находится в режиме ожидания разряда. В нагрузке 12 может протекать дифференциальный ток утечки положительной или отрицательной полярности.

2. Для формирования положительной фазы тока нагрузки 12 ключи 16 и 17 открывают, ключи 18, 19 закрыты. Ток с ограниченной скоростью нарастания подают через быстродействующий коммутатор 10. Соответственно, к закрытым ключам 18 и 19 прикладывается прямое напряжение в закрытом состоянии с ограниченной скоростью нарастания.

3. Для завершения положительной фазы, с помощью коммутатора 10 снижают ток с заданной скоростью через ключи 16 и 17. Соответственно к ключам 18 и 19 прикладывается напряжение с заданной скоростью спада.

4. После снижения тока до нуля все ключи коммутаторов 10 и 11 закрыты, наступает межфазная пауза.

5. Для формирования отрицательной фазы тока нагрузки 12 ключи 18 и 19 открывают, ключи 16 и 17 закрыты. Ток с ограниченной скоростью нарастания подают через быстродействующий коммутатор 10. Соответственно к закрытым ключам 16 и 17 прикладывается прямое напряжение в закрытом состоянии с ограничиваемой скоростью нарастания напряжения.

6. Для завершения положительной фазы с помощью коммутатора 10 снижают ток с заданной скоростью через ключи 18 и 19. Соответственно к ключам 16 и 17 прикладывается напряжение с заданной скоростью спада.

7. После снижения тока до нуля все ключи закрыты, наступает период ожидания.

Ограничение скорости изменения тока, подаваемого в коммутатор 11 с помощью коммутатора 10, должно быть достаточным для исключения негативного влияния токов через емкости 6 и 7 (см. фигуру 1). Важно, что бы коммутатор 10 обеспечивал «электрическую неуязвимость» составных ключей коммутатора 11 даже при ошибочных электрических режимах, при корректной и некорректной коммутации.

На фигуре 6 изображена схема известного технического решения (описание к патенту PCT/IB2005/052981) для формирования сигнала положительной и отрицательной полярности с использованием изолирующего реле 26, работающего под управлением сигнала 27.

Схема на фигуре 5, выполненная в соответствии с настоящим изобретением, не нуждается в изолирующем реле 26, так как допускает достижение крайне низких значений токов утечки в режиме ожидания разряда, не превышающих, например, уровень 0,05 мкА. Роль предохранительного устройства, без активации которого подача тока в нагрузку 12 не возможна, в схеме на фигуре 5 выполняет быстродействующий коммутатор 10. Исключение изолирующего реле 26 с движущимися контактами, например, в переносном дефибрилляторе позволяет увеличить его надежность, уменьшить его габариты и даже обеспечить искробезопасность его применения в специальных условиях.

Пример 3. Возможно упрощение блока электронных ключей 11, например, в случае применения тиристоров в составных ключах 16, 17, 18, 19 (см. фигуру 5). На фигуре 7 показан график изменения тока, подаваемого в составной ключ, формируемый коммутатором 10 с использованием высокочастотной импульсной модуляции. Скорость нарастания и спада тока не превышает 0,2 А/мкс, что обеспечивает возможность построения составного ключа на двух или более последовательно включенных тиристорах без защитных цепей. Например, если каждый из тиристоров, имеет максимально допустимое напряжение в закрытом состоянии до 1600 В, то составной тиристорный ключ из двух тиристоров имеет максимально допустимое напряжение до 3200 В (при условии сочетания параметров статических характеристик). Максимально допустимый уровень тока утечки закрытого состояния быстродействующего коммутатора 10 должен быть меньше тока удержания используемых тиристоров. Принудительно задаваемую скорость спада тока (-di/dt) при выключении составного ключа обеспечивают ниже некоторого критического уровня, который определяется допустимым уровнем обратного перенапряжения (формируется по закону Ленца) на тиристорах, образующих составной ключ. Опережающее восстановление обратного сопротивления одного из тиристоров не должно вызывать на нем перенапряжений. При уменьшении амплитуды обратного напряжения следует учитывать, что его воздействие на выключаемые тиристоры способствует их быстрому выключению. Ток открытого состояния составных ключей 16, 17, 18, 19 ограничивают в динамическом режиме с целью недопущения локального критического перегрева.

Локальный перегрев полупроводниковых приборов составных ключей 16, 17, 15 18, 19 может вызвать нежелательное увеличение тока утечки.

Для динамического ограничения тока в настоящем примере (см. фигуру 7) используется высокочастотная импульсная модуляция. Возможно использование динамического ограничения с использованием металлооксидных варисторов и индуктивности (см. заявку №2012107374). Возможно динамическое ограничение для поставки энергии с использованием дополнительных источников энергии и формированием адаптивного компенсационного импульса.

Пример 4. На фигуре 8 изображен внешний вид модуля, содержащего высоковольтный коммутатор с составными ключами для формирования терапевтических биполярных импульсов энергии переносного дефибриллятора. Быстродействующий коммутатор выполнен с использованием мощных металлооксидных варисторов (см. заявку на изобретение РФ №2012107374). Модуль содержит корпус 27, залитый герметиком 28 со стабильными диэлектрическими свойствами. Под слоями герметика 28 на подложках размещена схема коммутатора (см. фигуру 5). Из слоев герметика 28 (см. фигуру 8) выходят только внешние металлические выводы 29 для монтажа на печатную плату. Внутренняя конструкция герметичного модуля известна, например, из заявки на изобретение РФ №2005116183. Герметизация компонентов должна способствовать снижению токов утечки через коммутатор в режиме ожидания разряда. Первый слой герметика, наносимый на полупроводниковые приборы, должен обеспечить уровень тока утечки, стабильно меньший, чем в обычной воздушной среде. Кроме того, герметизация модуля должна обеспечить механическую прочность всей конструкции. Изоляционные промежутки между смежными металлическими проводниками модуля, к которым прикладывается высокое напряжение, выходящими из модуля в воздушную среду, выполняют с учетом минимально возможных утечек и электрической прочности воздушной среды. При этом следует учитывать размеры присоединяемых контактов внешней схемы.

При испытании опытной партии модулей, выполненных в соответствии с настоящим изобретением, при приложении напряжения 2800 В и температуре 45°С на протяжении 30 минут значение тока утечки закрытого состояния Н-моста блока электронных ключей 11 в цепи нагрузки 12 не превысило уровня тока ±50 нА.

Изобретение позволяет обеспечить возможность последовательного соединения силовых полупроводниковых приборов для наращивания блокирующей способности электронных ключей. Эффективность коммутатора возрастает, если быстродействующий коммутатор используют для формирования оптимальной формы тока нагрузки или автоматической компенсации тока нагрузки при отклонениях от предустановленного электрического режима в любой момент времени. Функция динамического ограничения может эффективно использоваться для ограничения нежелательных пиков тока (напряжения) нагрузки, защиты других силовых элементов коммутатора с использованием максимально безопасных значений тока или напряжения, которые могут изменяться с течением времени. Напряжение высоковольтного источника можно устанавливать исходя из требуемого уровня энергии, подаваемой в нагрузку без предварительного тестирования сопротивления нагрузки, а электрический режим нагрузки формировать с помощью быстродействующего коммутатора. Возможно его применение для формирования тестовых импульсов контроля нагрузки или самодиагностики устройства.

По сравнению с известными устройствами изобретение позволяет создать простой, надежный и многофункциональный коммутатор для высоковольтных применений. Стоимость высоковольтных ключей, состоящих из одиночных полупроводниковых приборов (выдерживающих напряжение в закрытом состоянии более 2000 В), многократно превосходит стоимость составных ключей на низковольтных полупроводниковых приборах (до 1600 В), даже с учетом стоимости многоуровневых устройств управления для составных ключей. Предпочтительно в качестве силовых полупроводниковых приборов составных ключей использовать тиристоры.

Отсутствие в схеме коммутатора движущихся контактов при крайне низких токах утечки, использование модульной конструкции коммутатора, использующего эффективное динамическое ограничение энергии, с формированием области безопасной работы силовых элементов коммутатора, предпочтительно для использования в переносных дефибрилляторах с батарейным питанием.

Высоковольтный коммутатор и способ применения его ключей, описанные здесь, могут быть использованы в других схемах формирования энергии дефибрилляторов или в схемах, которые могут не иметь никакого отношения к медицинским устройствам, а так же в схемах, которые могут выполнять любые дополнительные функции.

Технический результат достигают за счет того, что блок электронных ключей содержит составные ключи, выполненные из последовательно соединенных управляемых силовых полупроводниковых приборов. Переключение блока электронных ключей и его защиту от воздействия недопустимых значений di/dt и du/dt, высоких потерь переключения или сочетания перечисленных факторов обеспечивают принудительной коммутацией с динамическим ограничением поставляемого тока (напряжения). За счет динамического ограничения поставляемой энергии снимается потребность в использовании индивидуальных цепей защиты и обеспечивается безопасная работа составных ключей. Изобретение предоставляет возможность простого соединения в один составной ключ недорогих управляемых силовых полупроводниковых приборов массовых серий выпуска, которые имеют разбросы по временам переключения. Высоковольтные составные ключи с низкими токами утечки используют либо для изоляции цепи нагрузки от источника высокого напряжения, либо для формирования выбранного пути разрядного тока.

Таким образом, цель изобретения - создание надежного, полупроводникового, высоковольтного коммутатора с динамическим ограничением энергии, который был бы пригоден для дозированного разряда электрической энергии и обеспечивал крайне низкие токи утечки в цепи нагрузки в режиме ожидания разряда, а так же снижение стоимости высоковольтных полупроводниковых ключей, которые входят в состав коммутатора, - достигнута.

Изобретение относится к области преобразовательной техники. В состав высоковольтного коммутатора входят блок электронных ключей и быстродействующий коммутатор. Блок электронных ключей содержит составные ключи, содержащие последовательно соединенные управляемые силовые полупроводниковые приборы с ограниченным максимально допустимым напряжением в закрытом состоянии. Сочетание параметров силовых полупроводниковых приборов и устройств управления, входящих в составные ключи, определяет предельно допустимые значения и характеристики высоковольтного коммутатора. Переключение составных ключей и защиту от недопустимых значений электрических воздействий обеспечивают за счет ограничения скорости изменения поставляемого в составные ключи тока (напряжения). Защитные функции ограничения выполняют с использованием быстродействующего коммутатора, который имеет необходимые характеристики для надлежащего сглаживания перепадов тока (напряжения). Технический результат - возможность формировать в нагрузке регулируемые по форме импульсы. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Высоковольтный коммутатор, предназначенный для формирования в нагрузке импульсов энергии одной полярности и/или импульсов энергии противоположной полярности при дозированных разрядах, как минимум, одного высоковольтного источника энергии (например, заряженной батареи конденсаторов) и для работы под управлением, по меньшей мере, одного контроллера, в состав высоковольтного коммутатора входят блок электронных ключей, пропускающий ток нагрузки в заданном направлении, и быстродействующий коммутатор, обеспечивающий динамическое изменение тока нагрузки, отличающийся тем, что в состав блока электронных ключей входит, как минимум, один составной ключ, содержащий два или более последовательно соединенных управляемых силовых полупроводниковых приборов и устройство управления ими, сочетание параметров силовых полупроводниковых приборов определяют предельно допустимые значения и статические характеристики закрытого состояния высоковольтного коммутатора, быстродействующий коммутатор настроен на формирование режима безопасного переключения составных ключей при переходах из одного стационарного состояния в другое стационарное состояние, например при выключении одних ключей и включении других ключей, который обеспечивается за счет ограничения поставляемого в блок электронных ключей тока (напряжения) с ограниченными скоростями нарастания (спада), по меньшей мере, начиная с некоторых критических уровней, в течение времени переключения составных ключей, при нормальной работе высоковольтного коммутатора или при случайных отклонениях от нормальной работы.

2. Коммутатор по п.1, отличающийся тем, что быстродействующий коммутатор настроен на обеспечение безопасного электрического режима работы составных ключей, а так же для регулирования тока, с возможностью задания для импульсов тока нагрузки предопределенной и/или адаптируемой формы.

3. Коммутатор по п.1, отличающийся тем, что быстродействующий коммутатор настроен для динамического формирования скорости нарастания (спада) тока или напряжения переменной крутизны.

4. Коммутатор по п.1, отличающийся тем, что силовые полупроводниковые приборы, входящие в составные ключи, могут быть выполнены по одной технологии или по различным технологиям.

5. Коммутатор по любому из пп.1, 2, 3, 4, отличающийся тем, что быстродействующий коммутатор подключен к нескольким высоковольтным источникам (к нескольким заряженным конденсаторам).

6. Коммутатор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что быстродействующий коммутатор выполнен с использованием металлооксидных варисторов.

7. Коммутатор по п.1, отличающийся тем, что в состав блока электронных ключей введена Н-образная мостовая схема, состоящая, по меньшей мере, из двух пар электронных ключей, именуемая в дальнейшем изложении Н-мостом,
одна пара ключей Н-моста задает в нагрузке положительную фазу импульса тока, а другая пара ключей задает отрицательную фазу импульса тока, хотя бы один из ключей Н-моста содержит составной ключ (например, на однооперационных триодных тиристорах, биполярных транзисторах с изолированным затвором или МДП-транзисторах).

8. Коммутатор по п.1, отличающийся тем, что составные ключи подобраны по заданному сочетанию статических параметров закрытого состояния входящих в них силовых полупроводниковых приборов.

9. Коммутатор по любому из пп.1, 2, 3, 4, 7, 8, отличающийся тем, что при чрезмерном нарастании тока через блок электронных ключей в статическом режиме быстродействующий коммутатор переходит в режим ограничения тока.

10. Коммутатор по любому из пп.1, 2, 3, 4, 7, 8, отличающийся тем, что быстродействующий коммутатор используется для формирования тестовых импульсов тока.

11. Коммутатор по любому из пп. 1, 2, 3, 4, 7, 8, отличающийся тем, что быстродействующий коммутатор обеспечивает автоматическую компенсацию отклонений от предустановленного электрического режима в любой момент времени цикла разряда высоковольтного источника.

12. Коммутатор по любому из пп.1, 2, 3, 4, 7, 8, отличающийся тем, что высокое напряжение высоковольтного источника устанавливают исходя из требуемого уровня энергии, подаваемой в нагрузку без предварительного тестирования сопротивления нагрузки, а электрический режим нагрузки формируют с помощью быстродействующего коммутатора.

13. Коммутатор по п.1, отличающийся тем, что его элементы или часть его элементов, включающая составные ключи, размещены в объемной конструкции модуля с использованием изолирующих подложек и расположены так, чтобы уменьшить размеры коммутатора, с выполнением, по меньшей мере, части изоляционных промежутков между деталями с высоким напряжением с помощью нескольких слоев герметика (или различных типов герметика) со стабильными диэлектрическими свойствами, обеспечивающими максимально возможный уровень сопротивления изоляции, при этом механическая прочность конструкции обеспечивается первым и/или последующими слоями герметика после его отверждения и корпусом модуля, изоляционные промежутки между смежными металлическими проводниками модуля, к которым прикладывается высокое напряжение, выходящими из модуля в воздушную среду, выполнены с учетом минимально возможной электрической прочности воздушной среды и фактических размеров присоединяемых контактов внешней схемы.

14. Коммутатор по любому из пп.1, 2, 3, 4, 7, 8, 13, отличающийся тем, что быстродействующий коммутатор содержит, как минимум, один энергетически эффективный преобразователь, использующий высокочастотную импульсную модуляцию.

15. Коммутатор по любому из пп.1, 2, 3, 4, 7, 8, 13, отличающийся тем, что блок электронных ключей содержит, по меньшей мере, один составной ключ, содержащий тиристоры, а ток утечки закрытого состояния быстродействующего коммутатора меньше минимально возможного значения тока удержания тиристоров.

16. Способ применения составных ключей высоковольтного коммутатора в статических и динамических режимах, в частности, по любому из пп.1-15, которые составлены из последовательно соединенных управляемых силовых полупроводниковых приборов с предварительно заданными статическими параметрами, заключающийся в том, что обеспечивают динамическое ограничение скорости нарастания и спада поставляемого в переключаемые составные ключи тока (напряжения), исключающее недопустимые электрические перегрузки составных ключей, значения динамического ограничения устанавливают с учетом времени, в течение которого силовые полупроводниковые приборы переходят из одного стационарного состояния в другое стационарное состояние, а так же с учетом коммутационных эффектов индуктивностей и паразитных емкостей, которые естественным образом присутствуют в цепях составных ключей, при этом составные ключи непосредственно используют:
в режиме ожидания разряда при закрытых составных ключах для изоляции нагрузки от высоковольтной цепи, с током утечки, не превышающим максимально допустимого тока утечки, который задают таким образом, чтобы он не вызывал критической асимметрии напряжения закрытого состояния на силовых полупроводниковых приборах, приводящей к необратимому пробою составного ключа;
в режиме формирования разряда, когда составные ключи применяют для обеспечения требуемого пути прохождения тока от высоковольтной цепи в нагрузку за счет открытого состояния выбранных составных ключей.

17. Способ по п.16, отличающийся тем, что амплитуду тока открытого состояния составных ключей ограничивают в динамическом режиме таким образом, чтобы обеспечить тепловой режим составных ключей, при котором ток утечки последующего закрытого состояния составных ключей находился бы в допустимых пределах.