Транзисторный полумостовой модуль Российский патент 2024 года по МПК H02M7/5387 

Изобретение относится к области силовой электроники и может быть использовано в передающих трактах звукового и ультразвукового диапазонов при разработке усилительных устройств для технологических и гидроакустических комплексов, при разработке источников питания.

Известен ключевой усилитель мощности, [патент РФ № 2573229 «Модуль ключевого усилителя мощности» опублик. 17.12.2015 г.], мостовая схема оконечного каскада, которого представляет собой транзисторный модуль, выполненный на низковольтных сильноточных полевых транзисторах, собственные обратные диоды которых имеют удовлетворительные импульсные характеристики, что упрощает схему оконечного каскада и позволяет разместить его элементы на нижней теплоотводящей односторонней печатной плате. Номинальное напряжение электропитания такого модуля не превышает 100-150 В.

Недостатками данного модуля является относительно небольшой уровень его выходной мощности (до 1 кВА), а также отсутствие возможности его применения на выпрямленном напряжении 3-х фазной сети (500-600 В) без дополнительно звена понижения напряжения.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по количеству общих признаков является транзисторный модуль АРТМ100A13SCG, выпускаемый фирмой Microsemi [www.microsemi.com «Phase leg series & SiC parallel diodes MOSFET Power Module»]. Этот модуль выполнен в виде низкопрофильной сборки, состоящий из двух печатных плат верхней и нижней. На нижней теплопроводящей печатной плате, являющейся основанием транзисторного модуля, расположены первый и второй сильноточные высоковольтные транзисторы с собственными обратными диодами. Транзисторы соединены по полумостовой схеме. Собственные обратные диоды этих транзисторов являются инерционными. Для исключения протекания токов через собственные обратные диоды транзисторов последовательно с транзисторами в транзисторном модуле установлены прямые диоды диодной развязки. Параллельно транзисторам и прямым диодам установлены обратные диоды, через которые протекают обратные токи.

Силовые выводы с нижней печатной платы выполнены тремя широкими медными шинами, первая подключена к стоку первого транзистора, вторая к средней точке полумоста (точка последовательного соединения первого и второго транзисторов) третья к истоку второго транзистора. Верхняя печатная плата содержит выводы в виде четырёх штырей, которые подключены к управляющим выводам транзисторов на нижней плате.

Преимуществом данного модуля является высокий уровень выходной мощности, (до 20 кВА), возможность применения на выпрямленном напряжении 3-х фазной сети (500-600 В) без дополнительного звена понижения напряжения.

Электрическая схема устройства прототипа, приведена на Фиг. 1. Прототип, содержит первый транзистор Q1, с собственным обратным диодом D1 и второй транзистор Q2, с собственным обратным диодом D2. Последовательно с транзисторами Q1 и Q2 установлены прямые диоды диодной развязки D3 и D5 соответственно. Параллельно транзисторам Q1 и Q2 установлены обратные диоды D4 и D6 соответственно. Транзисторы Q1, Q2 с собственными обратными диодами и диоды D3, D4, D5, D6 расположены на нижней печатной плате. Силовые выводы от нижней печатной платы от стока первого транзистора VBUS, от средней точки полумостовой схемы OUT и от истока нижнего транзистора 0/VBUS конструктивно выполнены в виде плоских шин. Выводы управления G1, S1 первым транзистором и выводы управления G2, S2 вторым транзистором, выполнены в виде штыревых выводов. Выводы управления G1, S1, G2, S2 расположены на верхней печатной плате.

Описываемый транзисторный полумостовой модуль применяется в полумостовых и мостовых схемах преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение. Полумостовая схема преобразования помимо полумостового транзисторного модуля включает в себя ёмкостной делитель Фиг. 4, состоящий из двух последовательно соединённых ёмкостей С8, С9, образующих среднюю точку. При работе в полумостовой схеме преобразования импульсы управления заданной частоты и ширины, значением порядка +15/-5 В от внешнего управляющего устройства поступают на штыревые выводы G1, S1, G2, S2 и через них попадают на полевые транзисторы Q1 и Q2, поочерёдно коммутируя их. При этом напряжение электропитания, подключенное к шинам питания транзисторного модуля VBUS, 0/VBUS значением порядка 500 В, подключается поочерёдно к выходу транзисторного модуля OUT, формируя между ним и средней точкой ёмкостного делителя OUT1 переменное напряжение уровнем ± 250 В с параметрами (частота и ширина импульсов), заданными в импульсах управления. При работе через полумостовой транзисторный модуль протекают прямые токи и обратные токи. Прямые токи протекают поочерёдно через диод D3 и транзистор Q1 и через диод D5 и транзистор Q2, обратные токи протекают поочерёдно через диоды D4 и D5, создавая в данных элементах тепловые потери.

Недостатками модуля APTM является наличие диодов диодной развязки у каждого из транзисторов, которые из-за возникающих в них тепловых потерь, существенно ухудшают энергетическую эффективность транзисторного модуля. Особенность реализации высоковольтных сильноточных транзисторов в модуле такого типа привела к тому, что между токоведущими частями нижней платы и теплопроводящим основанием появились большие паразитные ёмкости. Через данные ёмкости идёт распространение помех из силовых цепей в цепи управления и контроля, что ухудшает электромагнитную совместимость данного модуля с аппаратурой, в которой он применяется. В связи с тем, что в качестве силовых элементов в модулях АРТМ применяются бескорпусные кристаллы, разваренные на нижней печатной плате, эти модули являются неремонтопригодными. Коммутационные выбросы напряжения на силовых цепях транзистора сильно зависят от значений паразитных индуктивностей участков силовых цепей, к которым он подключен в составе внешнего устройства. Эти коммутационные выбросы могут привести к выходу из строя транзисторного полумоста.

Задачей изобретения является создание транзисторного полумостового модуля мощностью сравнимой с мощностью модуля АРТМ100A13SCG (до 20 кВА) на напряжение питания 500-600 В, с более высоким КПД, с лучшей электромагнитной совместимостью, с повышенной ремонтопригодностью и пониженным влиянием внешних паразитных индуктивностей силовых цепей на коммутационные выбросы напряжения на транзисторах в модуле.

Техническим результатом от использования изобретения является повышение КПД устройств, в которых будет применён этот модуль, снижение уровня помех в контрольных и управляющих цепях эти устройств, повышение ремонтопригодности устройств, в которых будет применяться предлагаемый модуль, а также их надёжности, вследствие снижения коммутационных выбросов на транзисторах в полумостовом модуле.

Технический результат достигается тем, что в транзисторный полумостовой модуль, выполненный в виде низкопрофильной сборки, состоящий из двух печатных плат верхней и нижней, на нижней теплопроводящей печатной плате, являющейся основанием транзисторного модуля, расположены первый и второй сильноточные высоковольтные транзисторы с собственными обратными диодами, соединённые по полумостовой схеме, силовые выводы с нижней печатной платы выполнены тремя широкими медными шинами, первая подключена к стоку первого транзистора, вторая к средней точке полумоста третья к истоку второго транзистора, верхняя печатная плата содержит выводы в виде четырёх штырей, которые подключены к управляющим выводам транзисторов на нижней плате, введены новые признаки, а именно на нижней плате установлены дополнительно третий транзистор с собственным обратным диодом, подключенный параллельно первому и четвертый транзистор с собственным обратным диодом, подключенный параллельно второму, в качестве всех транзисторов применены сильноточные высоковольтные карбид-кремниевые транзисторы, выполненные корпусированными, с собственными обратными диодами, имеющими малое время обратного восстановления, между стоками первого и третьего транзисторов и истоками второго и четвертого транзисторов подключен распределённый, емкостной фильтр, при этом в цепи управления первого, второго, третьего и четвёртого транзисторов введены RC цепочки размещенные на верхней и нижней платах.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 - 5, где на фиг.1 приведена схема модуля АРТМ100A13SCG, на фиг.2 схема модуля прототипа в составе схемы преобразования, на фиг. 3 - схема предлагаемого модуля, на фиг. 4 - схема применения транзисторного полумостового модуля в схеме преобразования, на фиг. 5 - внешний вид транзисторного полумостового модуля в сборке без верхней крышки.

Заявленный транзисторный модуль (фиг.3) содержит первый (Q1), второй (Q2), третий (Q3) и четвертый (Q4) сильноточные высоковольтные карбид-кремниевые транзисторы с быстрыми собственными обратными диодами D1, D2, D7, D8, соответственно. Все транзисторы выполнены корпусированными. Первый транзистор (Q1) и третий транзистор (Q3) а также второй транзистор (Q2) и четвёртый транзистор (Q4) соединены параллельно. Истоки первого и третьего транзисторов и стоки второго и четвёртого транзисторов соединены и образуют общую точку. Первый (Q1), второй (Q2), третий (Q3) и четвертый (Q4) транзисторы расположены на нижней печатной плате. Кроме этого, на нижней печатной плате установлен распределённый емкостной фильтр (C7), который выполнен из нескольких ёмкостей. Фильтр С7 подключен между объединёнными стоками первого (Q1) и третьего (Q3) транзисторов и объединёнными истоками второго (Q2) и четвёртого (Q4) транзисторов. В цепи управления первого, второго, третьего и четвёртого транзисторов на нижнюю плату введены RC цепочки R9 R11 C3, R10 R12 C4, R13 R15 C5, R14 R16 C6 соответственно, а на верхнюю печатную плату для первого и третьего транзисторов введена RC цепочка R1-R4 C1, а для второго и четвёртого транзисторов RC цепочка R5-R8 C2. Транзисторный полумостовой модуль выполнен в виде низкопрофильной сборки, состоящей из двух печатных плат верхней и нижней. Через нижнюю печатную плату осуществляется отвод тепла от транзисторов Q1-Q4 на внешний радиатор. Силовые выводы от нижней печатной платы от стока первого транзистора VBUS, от средней точки полумостовой схемы OUT и от истока нижнего транзистора 0/VBUS конструктивно выполнены в виде плоских шин. Выводы управления G1, S1 первым и третьим транзисторами и выводы управления G2, S2 вторым и четвертым транзисторами, выполнены в виде штыревых выводов. Выводы управления G1, S1, G2, S2 расположены на верхней печатной плате фиг. 4.

Функционирование предлагаемого транзисторного полумостового модуля покажем в случае применении его в полумостовой схеме преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение (фиг.5). Полумостовая схема преобразования помимо полумостового транзисторного модуля включает в себя ёмкостной делитель, состоящий из двух последовательно соединённых ёмкостей С8 и С9, образующих среднюю точку. При работе в полумостовой схеме преобразования импульсы управления заданной частоты и ширины, значением порядка +15/-5 В от внешнего управляющего устройства поступают на штыревые выводы G1, S1, G2, S2 и через них попадают на транзисторы Q1, Q3 и Q2, Q4, поочерёдно коммутируя их. При этом напряжение электропитания, подключенное к шинам питания транзисторного модуля VBUS, 0/VBUS значением порядка 500 В, подключается поочерёдно к выходу транзисторного модуля OUT, формируя между ним и средней точкой ёмкостного делителя переменное напряжение уровнем ± 250 В с параметрами (частота и ширина импульсов), заданными в импульсах управления. При поступлении импульса управления на выводы G1, S1, открываются транзисторы Q1 и Q3 и ток протекает через данные транзисторы в нагрузку, к нагрузке, подключенной между выводами OUT и средней точкой ёмкостного делителя прикладывается напряжение +250 В. При снятии импульса управления с выводов G1, S1 происходит закрытие транзисторов Q1 и Q3, через небольшой промежуток времени на выводы G2, S2 поступает импульс управления и происходит открытие транзисторов Q2 и Q4 и ток протекает через данные транзисторы в нагрузке в обратном направлении, к нагрузке, подключенной между выводами OUT и средней точкой ёмкостного делителя прикладывается напряжение -250 В. Таким образом на нагрузке формируется переменное напряжение значением ± 250 В с частотой и шириной импульсов, заданных в импульсах управления, подаваемых на управляющие выводы транзисторов G1, S1, G2, S2. При работе, через полумостовой транзисторный модуль протекаю прямые токи и обратные токи. Прямые токи протекают поочерёдно через транзисторы Q1, Q3 и Q2, Q4. обратные токи протекают поочерёдно через собственные обратные диоды транзисторов.

В прототипе сопротивление открытого канала сильноточных высоковольтных транзисторов (R_DSon) составляет 130 мОм. В предлагаемом транзисторном полумостовом модуле в качестве сильноточных высоковольтных транзисторов применены карбид-кремниевые транзисторы с сопротивлением открытого канала (R_DSon) равным 65 мОм. При параллельном соединении двух транзисторов сопротивление открытого канала получается равным 33 мОм, т.е. почти в 4 раза ниже, чем в модуле прототипе. Следовательно, в предлагаемом модуле потери при протекании прямого тока будут в 4 раза ниже, чем в модуле прототипе. Обратные диоды транзисторов, применённых в предлагаемом полумостовом транзисторном модуле, имеют быстрое время обратного восстановления, что позволило отказаться от применения последовательных прямых диодов диодной развязки для каждого из транзисторов и тем самым исключить потери в диодах диодной развязке, ещё тем самым повысив КПД транзисторного модуля. Применение четырёх карбид-кремниевых транзисторов позволило уменьшить площадь силовых кристаллов и тем самым существенно снизить паразитную ёмкость между силовыми транзисторами и теплоотводящим основанием, которая является путём распространения помех. Применение корпусированных силовых транзисторов позволило выполнять ремонт транзисторного модуля.

Распределённый ёмкостной фильтр C7 существенно снижает влияние паразитных индуктивностей внешних силовых цепей на коммутационные выбросы напряжения на силовых выводах транзисторов Q1, Q3 и Q2, Q4.

RC цепочки, установленные на нижней печатной плате, снижают влияния паразитных индуктивностей внешнего устройства на коммутационные выбросы напряжения на управляющих выводах транзисторов предлагаемого полумостового модуля. RC цепочки, установленные на верхней печатной плате, обеспечивают одновременность включения и выключения параллельно включенных транзисторов Q1, Q3 и Q2, Q4. Внешний вид предлагаемого полумостового транзисторного модуля без верхней крышки приведён на Фиг.3.

Таким образом, повышение КПД предлагаемого полумостового транзисторного модуля, по сравнению с прототипом, достигается за счёт параллельного включения транзисторов с меньшим сопротивлением открытого канала и собственными быстрыми обратными диодами. Собственные быстрые обратные диоды позволяют отказаться от диодов диодной развязки, которые являются дополнительным источником потерь в устройстве прототипе.

Применение корпусированных транзисторов с меньшей общей площадью по сравнению с транзисторами в устройстве прототипе позволило снизить паразитную ёмкость между транзисторами и теплоотводящим основанием и тем самым улучшить электромагнитную совместимость предлагаемого модуля с аппартурой, в которой он может применяться.

Также применение дискретных корпусированных транзисторов в составе полумостового транзисторного модуля обеспечило его ремонтопригодность в отличие от устройства прототипа, который не является ремонтопригодным.

Применение распределённого ёмкостного фильтра и RC цепей на нижней и верхней печатных платах снижает коммутационные выбросы на управляющих и силовых выводах транзисторов. Это повышает надёжность работы предлагаемого полумостового транзисторного модуля по сравнению с устройством прототипом, в котором данные элементы отсутствуют.

В настоящее время на предприятии изготовлены опытные образцы транзисторных полумостовых модулей на основе предлагаемого технического решения, результаты испытаний которых подтвердили преимущества заявленного устройства для использования в аппаратуре для гидроакустических комплексов.

Изобретение относится к области силовой электроники и может быть использовано в передающих трактах звукового и ультразвукового диапазонов при разработке усилительных устройств для технологических и гидроакустических комплексов, при разработке источников питания. Предложен транзисторный полумостовой модуль, содержащий четыре дискретных карбид-кремниевых транзистора с собственными быстрыми обратными диодами (Q1, Q2, Q3, Q4), имеющими малое время обратного восстановления, распределенный емкостный фильтр (C7), подключенный между стоками верхних (Q1, Q3) и истоками нижних (Q2, Q4) транзисторов, и RC цепочки (С1, R1-R4, C2 R5-R8 - верхняя плата, R9-R16, C3-C6 - нижняя плата) в цепях управления каждого из четырех транзисторов. Данная конфигурация позволила реализовать транзисторный полумостовой модуль с более высоким КПД, за счет параллельного включения транзисторов с меньшим сопротивлением открытого канала и отказа от диодов диодной развязки, которые являлись источником дополнительных потерь, улучшенной электромагнитной совместимостью, за счет уменьшения паразитной емкости между токоведущими частями нижней платы и теплоотводящего основания, повышенной устойчивостью к влиянию паразитных индуктивностей устройств, в которых он будет применяться, за счет применения внутреннего емкостного фильтра и внутренних RC цепочек в цепях управления транзисторами и возможностью проводить ремонт модуля за счет применения дискретных корпусированных транзисторов. 5 ил.

Транзисторный полумостовой модуль, выполненный в виде низкопрофильной сборки, состоящий из двух печатных плат верхней и нижней, на нижней теплопроводящей печатной плате, являющейся основанием транзисторного модуля, расположены первый и второй сильноточные высоковольтные транзисторы с собственными обратными диодами, соединенные по полумостовой схеме, силовые выводы с нижней печатной платы выполнены тремя широкими медными шинами, первая подключена к стоку первого транзистора, вторая к средней точке полумоста, третья к истоку второго транзистора, верхняя печатная плата содержит выводы управления первого и второго транзисторов в виде четырех штырей, которые подключены к управляющим выводам транзисторов на нижней плате, отличающийся тем, что на нижней плате установлены дополнительно третий транзистор с собственным обратным диодом, подключенный параллельно первому, и четвертый транзистор с собственным обратным диодом, подключенный параллельно второму, в качестве всех транзисторов применены сильноточные высоковольтные карбид-кремниевые транзисторы, выполненные корпусированными, с собственными обратными диодами, имеющими малое время обратного восстановления, между стоками первого и третьего транзисторов и истоками второго и четвертого транзисторов подключен распределенный емкостный фильтр, при этом на нижней печатной плате параллельно управляющему переходу каждого из транзисторов включена соответствующая RC цепочка, на верхней печатной плате для каждой пары из параллельно включенных транзисторов введена соответствующая RC цепочка, каждая из которых содержит емкостный элемент, подключенный к выводам управления соответствующими транзисторами, и четыре резистора, соединяющих выводы управления соответствующих транзисторов с выводами их управляющих переходов.