ПЕРЕКЛЮЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ СОЕДИНЕНИЕМ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ С УПРАВЛЯЮЩИМ р-n ПЕРЕХОДОМ Российский патент 2015 года по МПК H03K17/10 

Данное изобретение относится к области электронных переключателей, в частности к переключающему устройству с последовательным соединением полевых транзисторов с управляющим p-n переходом (ПТУП-транзисторы) согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Силовые переключатели или переключающие устройства, обеспечивающие переключение при высоких рабочих напряжениях, могут быть реализованы в силовых электронных схемах посредством каскадно или последовательно соединенных транзисторов. К примеру, в патентных документах US 6,822,842 и DE 199 26 109 А1 в качестве таких переключающих устройств описана каскодная схема, при этом устройства основаны на специальной схеме из МОП-транзистора М и по меньшей мере одного ПТУП-транзистора J₁ (см. фиг.1). Переключатели расположены между первым выводом 1 и вторым выводом 2 и управляются посредством управляющего вывода 3 МОП-транзистора М. В этом известном переключающем устройстве для работы с высокими напряжениями, основанном на каскодной схеме, предусмотрено последовательное включение группы ПТУП-транзисторов J₂…J_n с получением таким образом высокого запирающего напряжения. Для пассивного управления динамическим распределением запирающего напряжения силового переключателя, выполненного на последовательно включенных транзисторах, между первым выводом 1 и вторым выводом 2 подключена коммутационная схема 4, причем лавинные диоды D_AV,1-D_AV,n коммутационной схемы 4 подключены между выводами затворов ПТУП-транзисторов. Принцип действия указанной схемы 4 по симметричному распределению запирающего напряжения ПТУП-транзисторов описан в публикации ″Balancing Circuit for a 5kV/50ns Pulsed Power Switch Based on SiC-JFET Super Cascode″ (J.Biela, D.Aggeler, J.W.Kolar, материалы 17-й Конференции IEEE Pulsed Power Conference (PPC′09)).

Во включенном состоянии, из-за прямых сопротивлений отдельных последовательно включенных полупроводниковых переключателей М, J₁…J_n, на каждом элементе возникает падение напряжения. При этом, в результате суммарного падения напряжения, напряжение затвор-исток, в частности самого верхнего ПТУП-транзистора Jn (фиг.1), отличается от напряжения затвор-исток нижних ПТУП-транзисторов. Такая разница напряжений затвор-исток может вызвать отключение самого верхнего транзистора, который придет в высокоимпедансное состояние и, находясь во включенном состоянии под высоким прямым напряжением, будет в наихудшем случае разрушен.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Таким образом, задачей данного изобретения является создание переключающего устройства с последовательным включением ПТУП-транзисторов указанного выше типа, в котором преодолены названные недостатки.

Задача решена переключающим устройством с поcледовательным включением ПТУП-транзисторов, охарактеризованным признаками п.1 формулы изобретения.

Предложенное переключающее устройство для переключения тока между первым выводом и вторым выводом содержит последовательное соединение по меньшей мере двух ПТУП-транзисторов, причем к первому выводу подключен самый нижний ПТУП-транзистор, или указанный самый нижний ПТУП-транзистор подключен к первому выводу через последовательно включенный управляющий переключатель. Имеется по меньшей мере еще один ПТУП-транзистор, последовательно включенный с указанным самым нижним ПТУП-транзистором; при этом ПТУП-транзистор, наиболее удаленный от нижнего ПТУП-транзистора и обозначенный как самый верхний ПТУП-транзистор, подключен своим выводом стока к второму выводу. ПТУП-транзисторы, не являющиеся самым нижним или первым ПТУП-транзистором, названы в целом верхними ПТУП-транзисторами. Между первым выводом и вторым выводом включена цепная схема для динамического распределения запирающего напряжения и стабилизации напряжений затворов ПТУП-транзисторов. Каждая цепная схема содержит, например, диоды, работающие в обратном направлении и размещенные между затворами двух идущих подряд ПТУП-транзисторов. При этом в каждом случае между выводами затворов верхних ПТУП-транзисторов и катодом соответствующего диода включена вспомогательная схема, которая во включенном состоянии схемы обеспечивает высокий потенциал на выводе затвора верхних ПТУП-транзисторов и предотвращает нежелательное выключение верхних ПТУП-транзисторов.

Таким образом, в зависимости от тока нагрузки, при включенных верхних ПТУП-транзисторах напряжения на верхних затворах поддерживаются на уровне, немного превышающем, предпочтительно равном или немного меньшем по сравнению с напряжением на соответствующем выводе истока. В предпочтительном варианте получается напряжение затвор-исток по меньшей мере в два, предпочтительно в пять или в десять раз меньше, чем без указанной вспомогательной схемы. Благодаря этому при включении верхние ПТУП-транзисторы, как правило, остаются включенными дольше, чем без вспомогательной схемы. Таким образом, предотвращен также, в частности, переход самого верхнего ПТУП-транзистора между первым и вторым выводом в высокоимпедансное состояние и принятие им на себя всего напряжения.

Благодаря наличию указанной вспомогательной схемы паразитные емкости цепной схемы в каждом случае при включении могут разряжаться через диод вспомогательной схемы, в то время как за счет емкости, включенной параллельно диоду вспомогательной схемы, поддерживаются высокие напряжения на соответствующих затворах ПТУП-транзисторов.

Таким образом, подключение вспомогательной цепной схемы позволяет сбалансировать и синхронизировать динамическое включение силового переключателя, собранного на последовательно включенных транзисторах.

Сама вспомогательная схема, в общем случае и для каждого ПТУП-транзистора, выполнена с возможностью приложения предварительно заданного напряжения между выводом затвора и выводом истока. Вспомогательная схема обеспечивает симметричную нагрузку по напряжению затвор-исток последовательно включенных ПТУП-транзисторов.

Другими предпочтительными вариантами осуществления изобретения предусмотрено подключение указанной вспомогательной схемы не для каждого верхнего ПТУП-транзистора, а только для одного или нескольких ПТУП-транзисторов, предпочтительно для более верхних ПТУП-транзисторов.

Другим вариантом предусмотрено наличие по меньшей мере в одной из вспомогательных схем дополнительного диода, включенного встречно-параллельно уже имеющемуся диоду и последовательно с конденсатором дополнительной схемы. Благодаря полученной схеме управления конденсаторы вспомогательной схемы не разряжаются при динамическом включении и в статическом включенном состоянии, за счет чего на затворах верхних ПТУП-транзисторов сохраняется определенный потенциал.

Еще одним вариантом осуществления изобретения предусмотрен обратный порядок последовательного включения диода и вспомогательной схемы: вспомогательная схема включена не между выводом затвора и выводом катода, а между выводом затвора соответствующего нижнего ПТУП-гранзистора и выводом анода соответствующего диода.

В общем случае такая схема, модифицированная соответствующим образом, применима также для p-канальных ПТУП-транзисторов, вместо усматриваемых здесь n-канальных ПТУП-транзисторов. При этом вывод стока будет соответствовать выводу истока, а вывод истока - выводу стока.

Другие предпочтительные варианты осуществления изобретения охарактеризованы зависимыми пунктами формулы изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Далее предмет изобретения подробно поясняется на примере предпочтительных вариантов его осуществления, схематично показанных на сопроводительных чертежах, где:

фиг.1 - известное из уровня техники последовательное соединение ПТУП-транзисторов;

фиг.2 - первый вариант осуществления изобретения;

фиг.3 - второй вариант осуществления изобретения.

В общем случае одинаковые детали обозначены на чертежах одинаковыми номерами позиций.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к переключающему устройству высокого рабочего напряжения с фиг.1. Переключатель содержит каскодное включение МОП-транзистора М с первым или с самым нижним ПТУП-транзистором J₁ и по меньшей мере с одним следующим или верхним ПТУП-транзистором J₂-J_n, включенным последовательно с указанным первым ПТУП-транзистором J₁. Таким образом в указанной каскодной схеме самым нижним или первым ПТУП-транзистором управляет МОП-транзистор, выполняющий функцию управляющего переключателя. Последний из последовательно включенных ПТУП-транзисторов, наиболее удаленный от первого ПТУП-транзистора, обозначен как самый верхний ПТУП-транзистор J_n. Для стабилизации напряжений затворов ПТУП-транзисторов и выравнивания нагрузки ПТУП-транзисторов по напряжению предусмотрена цепная схема 4. В указанной цепной схеме в каждом случае между затворами двух идущих подряд ПТУП-транзисторов имеется параллельное включение диодов D_AV,1, D_AV,2,…D_AV,n , работающих обратном направлении, и RC-цепь R_D,1, C_T,1, R_D,2, C_T,2,.. R_D,n, C_T,_n.

В каждом случае между затвором и истоком верхних ПТУП-транзисторов J₂-J_n (то есть не первого ПТУП-транзистора) включены резисторы (на фиг.1: R_GS,2 - R_GS,n). Вместо резисторов можно использовать также и диоды Зенера.

Для динамического и статического управления напряжениями затворов в каждом случае между затвором (G_J2, G_J3…G_Jn) и выводом катода (K₁, K₂…K_n-1) диода цепной схемы включена вспомогательная схема 5. Как показано на фиг.2, каждая вспомогательная схема 5 содержит параллельное включение диода Зенера D_Z,1, D_Z,2,…D_Z,n-1 и конденсатора C_CL,1. C_C,L2,…C_CL,n-1. Такое решение обеспечивает поддержание высокого потенциала на выводе затвора верхних ПТУП-транзисторов, что компенсирует с одной стороны прямое напряжение диодов, а с другой стороны - падение напряжения вследствие прямого сопротивления, при этом в предпочтительном варианте между выводом затвора и выводом истока поддерживается в основном нулевое напряжение или напряжение с небольшим положительным значением.

Емкость конденсатора вспомогательной схемы многократно превышает эмкость перехода диодов, работающих в обратном направлении, и емкость сток-исток соответствующих ПТУП-транзисторов, вследствие чего при зключении невозможно полностью отобрать накопленную энергию, и в эезультате на конденсаторе вспомогательной схемы остается напряжение, но поддерживает напряжение соответствующего затвора на высоком уровне.

Цепная схема проводит зарядный ток от выводов затвора ПТУП-ранзисторов (J₁-J_n) в соответствующий предназначенный для этого шкопительный элемент (емкость перехода диода, работающего в обратном вправлении, и емкость RC-элемента цепной схемы с вспомогательной схемой), что обеспечивает динамическую стабилизацию последовательно ислюченных ПТУП-транзисторов.

Вместо диода Зенера и конденсатора в указанной вспомогательной схеме могут иметься другие схемные элементы, обеспечивающие тот же результат, например только один или два или более последовательно включенных диодов Зенера, или же только один или два или более параллельно включенных конденсаторов.

Одним из предпочтительных вариантов осуществления изобретения предусмотрено подключение вспомогательной схемы не для каждого верхнего ПТУП-транзистора, а только для одного или нескольких ПТУП-транзисторов, предпочтительно для более верхних ПТУП-транзисторов.

Фиг. 3 иллюстрирует альтернативный предпочтительный вариант осуществления изобретения, предусматривающий также наличие дополнительных диодов D_ZR,1, D_ZR,2,…D_ZR,n-1, каждый из которых включен последовательно с конденсатором и встречно-параллельно диоду вспомогательной схемы.

В соответствии с общим принципом изобретения указанная схема, модифицированная соответствующим образом, применима также для p-канальных ПТУП-транзисторов, вместо рассматриваемых здесь n-канальных ПТУП-транзисторов.

Изобретение относится к переключающим устройствам. Технический результат заключается в повышении надежности работы устройства. Устройство включает последовательное соединение по меньшей мере двух полевых транзисторов с управляющим p-n переходом (ПТУП-транзисторы) (J₁-J_n), где следующие ПТУП-транзисторы (J₂-J_n) последовательно подключены к самому нижнему ПТУП-транзистору (J-₁), причем между вторым выводом (2) и первым выводом (1) включена цепная схема для стабилизации напряжений затворов ПТУП-транзисторов (J₁-J_n). В каждом случае между выводами (G_J2, G_J3,…G_Jn) затворов указанных следующих ПТУП-транзисторов (J₂-J_n) и соответствующими выводами катодов диодов (D_AV) указанной цепной схемы включена вспомогательная схема (5). За счет указанной вспомогательной схемы при динамическом включении и в стационарном включенном состоянии потенциал на соответствующем выводе затвора выше потенциала связанного с ним вывода истока. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Переключающее устройство для переключения тока между первым выводом (1) и вторым выводом (2), содержащее последовательное соединение по меньшей мере двух полевых транзисторов с управляющим р-n переходом (ПТУП-транзисторы) (J₁-J_n),
причем к первому выводу (1) подключен самый нижний ПТУП-транзистор (J₁), или указанный самый нижний ПТУП-транзистор (J₁) подключен к первому выводу (1) по каскодной схеме через управляющий переключатель (М),
причем к указанному самому нижнему ПТУП-транзистору (J₁) последовательно подключен один или более следующих, верхних ПТУП-транзисторов (J₂-J_n), при этом ПТУП-транзистор (J_n), наиболее удаленный от указанного самого нижнего ПТУП-транзистора (J₁) и обозначенный как самый верхний ПТУП-транзистор (J_n), подключен своим выводом стока к второму выводу (2),
причем между выводами затворов ПТУП-транзисторов (J₁-J_n) и первым выводом (1) включена пассивная цепная схема (4) для динамического управления напряжениями указанных затворов ПТУП-транзисторов (J₁-J_n),
причем в каждом случае между затворами двух идущих подряд ПТУП-транзисторов цепная схема (4) содержит диоды (D_AV,1, D_AV,2, …D_AV,n), работающие в обратном направлении,
отличающееся тем, что в каждом случае между выводами (G_J2, G_J3, …G_Jn) затворов верхних ПТУП-транзисторов (J₂, J₃, …,J_n) и выводами (K_DAV,2, K_DAV,3, …K_{DAV, n-1}) катодов диодов цепной схемы (4), или между выводами анодов диодов цепной схемы (4) и выводами (G_J2, G_J3, …G_Jn) затворов соответствующих ПТУП-транзисторов (J₁, J₃, …,J_n-1) включена вспомогательная схема (5), причем указанная вспомогательная схема поддерживает высокий потенциал вывода затвора относительно соответствующего вывода (S_J2, S_J3, …, S_Jn) истока как при динамическом включении, так и в стационарном включенном состоянии, причем вспомогательная схема (5) содержит между выводами (G_J2, G_J3, …G_Jn) затворов и выводами (K₁, К₂, …,K_n-1) катодов один или более последовательно включенных диодов (D_z,1, D_z,2, …D_z,n-1), работающих в обратном направлении,
причем вспомогательная схема (5) содержит один или более конденсаторов (C_CL,1, C_CL,2 …C_CL,n-1), которые в каждом случае параллельны указанным диодам (D_z,1, D_z,2, ...D_Z,n-1), работающим в обратном направлении.

2. Переключающее устройство по п.1, отличающееся наличием по меньшей мере одной схемы (6) управления, содержащей вспомогательную схему и дополнительный диод (D_ZR,1, D_ZR,2, …-D_ZR,n-1).

3. Переключающее устройство по п.2, отличающееся тем, что по меньшей мере в одной из вспомогательных схем (6) предусмотрен дополнительный диод (D_ZR,1, D_ZR,2, …D_ZR,n-1), включенный последовательно с конденсатором указанной вспомогательной схемы и встречно-параллельно диоду (D_Z,1, D_Z,2, …D_Z,n-1) указанной вспомогательной схемы.

4. Переключающее устройство для переключения тока между первым выводом и вторым выводом, содержащее последовательное соединение по меньшей мере двух р-канальных полевых транзисторов с управляющим p-n переходом (ПТУП-транзисторы),
причем к первому выводу подключен самый нижний ПТУП-транзистор, или указанный самый нижний ПТУП-транзистор подключен к первому выводу по каскодной схеме через управляющий переключатель,
причем к указанному самому нижнему ПТУП-транзистору последовательно подключен один или более следующих, верхних ПТУП-транзисторов, причем ПТУП-транзистор, наиболее удаленный от указанного самого нижнего ПТУП-транзистора и обозначенный как самый верхний ПТУП-транзистор, подключен своим выводом истока ко второму выводу, причем между выводами затворов ПТУП-транзисторов и первым выводом включена пассивная цепная схема для динамического управления напряжениями затворов ПТУП-транзисторов,
причем в каждом случае между затворами двух идущих подряд ПТУП-транзисторов указанная цепная схема содержит диоды, работающие в обратном направлении,
отличающееся тем, что в каждом случае между выводами затворов верхних ПТУП-транзисторов и выводами катодов диодов указанной цепной схемы, или между выводами анодов диодов указанной цепной схемы и выводами затворов соответствующих ПТУП-транзисторов включена вспомогательная схема, причем указанная вспомогательная схема поддерживает высокий потенциал вывода затвора относительно соответствующего вывода стока как при динамическом включении, так и в стационарном включенном состоянии, причем вспомогательная схема содержит между выводами затворов и выводами катодов один или более последовательно включенных диодов, работающих в обратном направлении,
причем вспомогательная схема содержит один или более конденсаторов, которые в каждом случае параллельны указанным диодам, работающим в обратном направлении.