КОНСТРУКЦИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ СКОРОСТИ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО СИЛОВОГО ПЕРЕКЛЮЧАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ Российский патент 2022 года по МПК H03K17/41 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к электронным силовым переключающим устройствам, более точно, к конструкции для повышения скорости переключения электронного силового переключающего устройства и ее применению.

Предпосылки создания изобретения

Электронные устройства, разработка которых постоянно развивается, можно разделить на две категории с точки зрения их использования. К одной из них относятся относительно традиционные и широко распространенные устройства малой мощности, технология изготовления которых отработана и быстро развивается, а к другой относятся электронные силовые элементы и устройства большой мощности. Электронные силовые элементы и устройства можно условно разделить на несколько категорий, включая обычные транзисторы, тиристоры, большие транзисторные составные модули GTR и IGBT. Одним из признаков эффективности, отражающих совершенствование таких электронных силовых элементов и устройств, является постепенное повышение скорости переключения с появлением новых устройств.

Однако, поскольку скорость переключения различных устройств зависит от их типового верхнего предела, ускорение включения или выключения таких электронных силовых элементов и устройств становится сложной задачей при применении переключающих устройств и выходит на первый план при их разработке. Причина, по которой скорость переключения ограничена, хорошо известна специалистам в данной отрасли, а именно, оконечный каскад таких электронных силовых элементов и устройств обычно обслуживается биполярными транзисторами. Согласно принципам работы биполярного транзистора, условием его нормальной проводимости является необходимость вводить в базовую область без носителей носители той же полярности, что и носители в базовой области, чтобы базовая область находилась в проводящем состоянии подобно металлической конструкции. После выключения возбуждающего импульса в процессе инерции, в базовую область не вводятся новые носители, хотя возбуждающий импульс выключен, а носители, которые были введены в базовую область для обеспечения проводимости, могут не исчезать немедленно. По существу, все еще присутствует ток проводимости, который представляет собой так называемый инерционный ток. Более того, чем больше рабочий ток, когда переключающее устройство находится в рабочем состоянии с насыщенной проводимостью, тем больше носителей необходимо вводить в базовую область. По существу, инерционный ток, генерируемый каждый раз при выключении переключающего устройства, становится все большим. Поскольку потребляемая мощность сегмента устройства с постоянной t0 времени инерционности при каждом выключении должна достигать величины выходной мощности (предельное значение составляет 1/4 значения выходной мощности) и намного превышать номинальную потребляемую мощность переключающего устройства, если диапазон цикла переключений установлен небольшим, но далеко не эквивалентным постоянной t0 времени инерционности, величина увеличения общей средней потребляемой мощности переключающего устройства может намного превышать предел, поддерживаемый устройством, которое не будет способно нормально работать даже при незначительном сокращении цикла.

Иными словами, по упомянутой причине особо большой мощности при выключении цикл переключения переключающего устройства имеет особую переменную величину и не должен быть слишком коротким. За счет этого средняя потребляемая мощность устройства может снижаться только за счет увеличения цикла переключения. В частности, во время проектирования с использованием таких элементов и устройств частота переключения должна определяться частотой переключения устройства переключения используемого типа и не может устанавливаться слишком высокой.

Из приведенного выше анализа также можно видеть, что даже при ограниченной скорости переключения компонента влияние потребляемой мощности сегмента с постоянной t0 времени инерционности при каждом выключении компонента по-прежнему превышает предел, выдерживаемый компонентом. По существу, потенциально снижается надежность элементов и устройств, и сокращается нормальный срок службы компонентов.

Краткое изложение сущности изобретения

В основу настоящего изобретения положена задача создания способа повышения скорости переключения электронной силовой переключающей микросхемы и уменьшения повреждений устройств инерционными токами с целью повышения надежности устройств.

Конкретной идей является значительное уменьшение постоянной t0 времени инерционности базовой области биполярного силового транзистора. С учетом такой идеи и задачи получены впечатляющие результаты проведенных экспериментов. Особо впечатляют результаты экспериментов или испытаний скорости переключения модуля GTR. Тиристор усовершенствованной конструкции с восемью слоями P и N, разнесенными в соответствии с этой идей, может не только легко выключаться, но также ожидается, что скорость его переключения достигнет уровня существующего модуля IGBT.

В настоящем изобретении использованы следующие технические решения.

С целью повышения скорости переключения переключающего устройства и уменьшения повреждений устройства инерционным током с целью повышения надежности устройства напряжение псевдонасыщения Ucer_pseudo переключающего устройства в конкретных условиях и напряжение псевдонасыщения Ucer_pseudo устанавливаются на уровне от среднего до низкого в пределах от 30 до 50 вольт в расчете на значительное уменьшение постоянной времени инерционности базовой области общей потребляемой инерционной мощности в период выключения. За счет этого может повышаться расчетный предел скорости переключения

Хотя в некоторых переключающих схемах с длительным временем проводимости средняя потребляемая мощность переключающего устройства не превышает его номинального значения, лучшим выбором уменьшить потенциальное снижение надежности и воздействие на нормальный срок службы устройства со стороны потребляемой мощности в сегменте t0 является конструктивное решение.

Однако это конструктивное решение призвано повысить общую производительность полного цикла включений или выключений схемы за счет увеличения потребляемой мощности переключающего устройства за время проводимости. Следовательно, в течение большей части времени, когда переключатель включен, нет необходимости увеличивать потребляемую мощность по сравнению с потребляемой мощностью в традиционном состоянии насыщения с низким уровнем напряжения. При этом потребляемая мощность может снижаться в максимально возможной степени за счет того, что схема побуждается переключать величину напряжения псевдонасыщения таким образом, чтобы устройство находилось в традиционном состоянии насыщения с низким уровнем напряжения на протяжении большей части времени проводимости (состояние насыщения с низким уровнем напряжения также является значительным преимуществом при использовании устройства GTR). Короткого времени проводимости перед выключением достаточно, чтобы побуждать схему управления переключаться в другое состояние псевдонасыщения с высоким уровнем напряжения с целью уменьшить t0 в расчете на повышение скорости переключения во время выключения.

Техническим признаком схемной структуры этой конструкции является то, что дополнительно предусмотрен стабилизатор (регулируемого) напряжения, и с учетом требования сведения к минимуму средней потребляемой мощности насыщения проводимости и инерционной мощности в период выключения на протяжении всего цикла переключения устройства, путем регулирования конкретного значения стабилизации напряжения определяются различные напряжения псевдонасыщения Ucer_pseudo в соответствии с различными требованиями к применению, а затем окончательно определяется сочетание стабилизаторов напряжения с целью достижения оптимальной скорости переключения.

Остальные схемные структуры могут интегрироваться в микросхему силового модуля в качестве составной части микросхемы или могут независимо проектироваться как отдельный элемент, который служит модулем, конфигурированным в микросхеме.

Настоящее изобретение обеспечивает следующие выгодные результаты.

Технические решения согласно настоящему изобретению значительно повышают скорость переключения переключающего устройства и дополнительно значительно повышают надежность использования переключающего устройства. Это способствует более детальной разработке. Исследования и разработки небольших устройств, таких как энергосберегающие лампы, электрические вентиляторы, микроволновые печи, кондиционеры и водонагреватели мгновенного действия путем нагрева с регулируемой мощностью, а также крупного оборудования, такого как электрические тяговые устройства для высокоскоростных железных дорог, лазерные пушки, электромагнитные пушки и даже авиационно-космической электроники требуют преобразования большого количества энергии. В этом случае в силовой электронике неизбежно используются базовые переключающие устройства.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение дополнительно описано со ссылкой на сопровождающие чертежи и примеры осуществления.

На фиг. 1 показана частично усовершенствованная схема повышения скорости переключения тиристорного модуля согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 2 показана частично усовершенствованная схема повышения скорости переключения модуля IGBT согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 3 показана частично усовершенствованная схема повышения скорости переключения модуля GTR согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 4 показана схема фиксации псевдонасыщения независимого модуля вспомогательного напряжения псевдонасыщения согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 5 показана усовершенствованная структура первичной микросхемы тиристорного модуля согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения; и

на фиг. 6 показана усовершенствованная структура первичной микросхемы модуля IGBT согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание

В настоящем изобретении предложен способ повышения скорости переключения электронной силовой переключающей микросхемы. Переключающая микросхема снабжена функциональной структурой, которая позволяет переключающей микросхеме переключаться в различные заданные состояния напряжения насыщения при насыщении переключающей микросхемы, при этом уменьшается постоянная времени инерционности базовой области, и снижается общая потребляемая инерционная мощность в период выключения, вследствие чего повышается расчетный предел скорости переключения. Описано применение способа согласно настоящему изобретению со ссылкой на конкретные варианты осуществления.

1-й вариант осуществления

На фиг. 1 показана частично усовершенствованная схема повышения скорости переключения тиристорного модуля согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. На фиг. 1 показаны силовой транзистор 1 типа p-n-p, силовой транзистор 2 типа n-p-n, диод 3, стабилизатор 4 напряжения псевдонасыщения Ucer_pseudo, фиксирующий диод 5, выключающий электронный переключатель 7, вход 8 импульсных сигналов управления переключателем, нагрузочное сопротивление Rf 9, и напряжение 11 питания. На вход 8 импульсных сигналов управления переключателем подается достаточно мощный импульс проводимости с шириной импульса, определяемой в соответствии с требованиями схемы, и за счет суммарного эффекта, достигаемого путем выбора минимального значения стабилизации напряжения для стабилизатора 4 напряжения (или дополнительно параллельно подключенного электронного переключателя с защитой от короткого замыкания), приводится в действие тиристор с целью перехода в традиционное проводящее состояние глубокого насыщения с низким уровнем напряжения и малым энергопотреблением.

Когда задний фронт импульса проводимости заканчивается, на вход 8 импульсных сигналов управления переключателем не подается управляющий ток, и тиристор поддерживает процесс проводимости. Перед вступлением в период быстрого выключения стабилизатор 4 напряжения сначала переключается на более высокое напряжение псевдонасыщения Ucer_pseudo, а коллекторное напряжение силового транзистора 2 типа n-p-n повышается до предварительно заданного напряжения высокого насыщения Ucer_pseudo, в результате чего снижается постоянная времени инерционности базового участка тиристора. Величины времени инерционности до и после этого периода добавляются к ширине импульса проводимости с целью получить время проводимости тиристора. После этого тиристор переходит в состояние, в котором может ускоряться выключение, после того, как он предварительно вошел в состояние псевдонасыщения с низкой постоянной времени и высоким напряжением (когда ток стабилизатора 4 напряжения является максимальным). Когда тиристор необходимо выключить, он может быстро выключаться путем выключения электронного переключателя 7 выключения или реверсирования первичного рабочего напряжения, подаваемого на тиристор.

2-й вариант осуществления

На фиг. 3 показана частично усовершенствованная схема повышения скорости переключения модуля GTR согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. На фиг. 3 показан силовой транзистор 1 типа p-n-p, силовой транзистор 2 типа n-p-n, диод 3, стабилизатор 4 напряжения псевдонасыщения Ucer_pseudo, фиксирующий диод 5, полевой электронный переключатель 7, вход 8 импульсных сигналов управления переключателем, нагрузочное сопротивление Rf 9, напряжение 11 питания, и база 16 управления запуском силового транзистора модуля IGBT. Силовой транзистор 1 типа p-n-p и силовой транзистор 2 типа n-p-n модуля IGBT в оконечном каскаде последовательно соединены диодом 2, базы 16 управления запуском силовых транзисторов модуля IGBT последовательно соединены со стабилизатором 4 регулируемого или заданного напряжения псевдонасыщения Ucer_pseudo, а затем соединены с коллектором первоначально соответствующего силового транзистора 1 типа p-n-p, базы 16 управления запуском силовых транзисторов модуля IGBT дополнительно последовательно соединены с полевым электронным переключателем, управляемым приводом входной проводимости, база силового транзистора 1 типа p-n-p модуля IGBT соединена с коллектором силового транзистора 2 типа n-p-n диодом 3, а полевой задающий выход 8 модуля IGBT в переднем каскаде соединен с базой управления запуском транзистора диодом 6 кондуктивного задающего входа. Повышение скорости переключения модуля IGBT аналогично таковому у тиристора согласно 1-му варианту осуществления, и далее не описано.

На фиг. 5 и фиг. 6 показаны усовершенствованные структуры первичной микросхемы тиристорного модуля и первичной микросхемы модуля IGBT, где позицией 17 обозначен металлический проводящий слой.

3-й вариант осуществления

на фиг. 3 показана частично усовершенствованная схема повышения скорости переключения модуля GTR согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. На фиг. 3 показана силовая пара 2 Дарлингтона, стабилизатор 4 напряжения псевдонасыщения Ucer_pseudo, фиксирующий диод 5, нагрузочное сопротивление Rf 9, ограничительный резистор Ri 10 импульсного тока возбуждения и напряжение 11 питания. Пара Дарлингтона за счет своей функции каскадного усиления вызывает сильную инерционность. Результаты экспериментов или испытаний с использованием структуры согласно настоящему изобретению показывают, что при выбранном напряжении псевдонасыщения Ucer_pseudo около десяти вольт стабильная рабочая частота импульсного источника питания, разработанного с использованием модуля GTR, имеющего пару Дарлингтона в качестве переключающего устройства, значительно повышается от типового предела менее 5 кГц до десятков тысяч Гц.

4-й вариант осуществления

Как показано на фиг. 4, в настоящем изобретении дополнительно предусмотрен независимый модуль вспомогательного напряжения псевдонасыщения. На фиг. 4 показан силовой транзистор 2, стабилизатор 4 напряжения псевдонасыщения Ucer_pseudo, фиксирующий быстродействующий диод 5 псевдонасыщения, нагрузочное сопротивление Rf 9, ограничительный резистор Ri 10 импульсного тока возбуждения, напряжение 11 питания, вход 12 импульсов возбуждения независимого модуля вспомогательного напряжения псевдонасыщения, выход 13 импульсов возбуждения независимого модуля вспомогательного напряжения псевдонасыщения и зажимной конец 14 независимого модуля вспомогательного напряжения псевдонасыщения. Пунктирной линией обозначен независимый модуль 15 вспомогательного напряжения псевдонасыщения. Независимый модуль 15 вспомогательного напряжения псевдонасыщения образует функциональный схемный элемент вспомогательного напряжения псевдонасыщения в качестве независимого модуля. Элемент содержит стабилизатор 4 регулируемого или заданного напряжения псевдонасыщения и фиксирующий быстродействующий диод 5 коллекторного напряжения псевдонасыщения. Анод стабилизатора 4 напряжения псевдонасыщения соединен с базой силового транзистора 2, а катод стабилизатора 4 напряжения псевдонасыщения соединен с анодом фиксирующего быстродействующего диода 5. Катод фиксирующего быстродействующего диода 5 соединен с коллектором силового транзистора 2. Поскольку независимый модуль вспомогательного напряжения псевдонасыщения имеет широкое применение, нет необходимости пересматривать конструкцию оригинальной силовой микросхемы.

Рассмотренные варианты осуществления приведены лишь в целях иллюстрации технических концепций и характеристик настоящего изобретения и имеют целью помочь специалистам в данной области техники лучше понять содержание изобретения и применить на практике технические решения согласно настоящему изобретению. Однако эти варианты осуществления не предназначены для ограничения объема охраны настоящего изобретения. Любые внесенные изменения в пределах объема и существа основных технических решений согласно настоящему изобретению должны рассматриваться как входящие в объем охраны настоящего изобретения.

Изобретение относится к электронным силовым переключающим устройствам, более точно - к конструкции для повышения скорости переключения электронного силового переключающего устройства и ее применению. Техническим результатом изобретения является повышение скорости переключения переключающего устройства и значительное повышение надежности использования переключающего устройства. Схема повышения скорости переключения электронной силовой переключающей микросхемы содержит силовую переключающую микросхему, силовой транзистор типа n-p-n, стабилизатор напряжения псевдонасыщения, фиксирующий быстродействующий диод псевдонасыщения, нагрузочное сопротивление Rf, ограничительный резистор Ri импульсного тока возбуждения, напряжение питания, вход импульсов возбуждения независимого модуля вспомогательного напряжения псевдонасыщения, выход импульсов возбуждения независимого модуля вспомогательного напряжения псевдонасыщения и зажимной конец независимого модуля вспомогательного напряжения псевдонасыщения. Силовая переключающая микросхема снабжена функциональной схемой вспомогательного напряжения псевдонасыщения, которая позволяет силовой переключающей микросхеме переключаться в различные заданные состояния напряжения насыщения при насыщении переключающей микросхемы. Функциональная схема вспомогательного напряжения псевдонасыщения состоит из стабилизатора регулируемого или заданного напряжения псевдонасыщения и фиксирующего быстродействующего диода коллекторного напряжения псевдонасыщения. Анод стабилизатора напряжения псевдонасыщения соединен с базой силового транзистора n-p-n. Катод стабилизатора напряжения псевдонасыщения соединен с анодом фиксирующего быстродействующего диода. Катод фиксирующего быстродействующего диода соединен с коллектором силового транзистора n-p-n. 6 ил.

Схема повышения скорости переключения электронной силовой переключающей микросхемы, характеризующаяся тем, что содержит

- силовую переключающую микросхему, снабженную функциональной схемой вспомогательного напряжения псевдонасыщения, которая позволяет силовой переключающей микросхеме переключаться в различные заданные состояния напряжения насыщения при насыщении переключающей микросхемы;

- силовой транзистор типа n-p-n, стабилизатор напряжения псевдонасыщения, фиксирующий быстродействующий диод псевдонасыщения, нагрузочное сопротивление Rf, ограничительный резистор Ri импульсного тока возбуждения, напряжение питания, вход импульсов возбуждения независимого модуля вспомогательного напряжения псевдонасыщения, выход импульсов возбуждения независимого модуля вспомогательного напряжения псевдонасыщения и зажимной конец независимого модуля вспомогательного напряжения псевдонасыщения;

- при этом функциональная схема вспомогательного напряжения псевдонасыщения состоит из стабилизатора регулируемого или заданного напряжения псевдонасыщения и фиксирующего быстродействующего диода коллекторного напряжения псевдонасыщения; анод стабилизатора напряжения псевдонасыщения соединен с базой силового транзистора n-p-n, катод стабилизатора напряжения псевдонасыщения соединен с анодом фиксирующего быстродействующего диода, а катод фиксирующего быстродействующего диода соединен с коллектором силового транзистора n-p-n.