CZ287568B6 - Current inverter - Google Patents

Description

Vynález se týká střídače, s alespoň dvěma antisériovými polovodičovými oblastmi, které jsou vždy opatřeny emitorem, kolektorem a hradlem řídícím tok elektronů, vnitřní nulovou diodou a charakteristikami, které mají tranzistory řízené polem, a společně tvoří dráhu pro proud procházející střídačem, a s ovládacím obvodem, na jehož výstupech jsou řídicí napětí, která jsou připojena vždy k příslušnému hradlu polovodičových oblastí.

Dosavadní stav techniky

Se dvěma antisériovými tranzistory řízenými polem, neboli tranzistory FET, pracuje známý výkonový spínač (WO 93/11608), u něhož je elektricky paralelně s polovodičovým prvkem se dvěma antisériovými tranzistory FET uspořádán vybavovací člen konstrukčního prvku, působícího jako relé, který prostřednictvím rozpojovacích kontaktů může přerušit chráněné vedení. U tohoto provedení je polovodičový prvek nastaven tak, že jeho vnitřní odpor má při určitém řídicím napětí na řídicí elektrodě a při pracovním napětí na pracovních elektrodách, uspořádaných v průchozím směru ve vedení, nízkou hodnotu, přičemž jeho vnitřní odpor se vzrůstajícím napětí na pracovních elektrodách skokově vzroste. Při vzrůstu vnitřního odporu se objeví na paralelně uspořádaném vybavovacím členu napětí, které způsobí vybavení.

Elektrická zařízení se musí k síti připojovat a od sítě odpojovat. U mechanických spínačů existují taková optimální řešení, která v praxi vyhovují technickým požadavkům, například u pohonů a ochranných spínačů motorů, a to z hlediska jejich ochrany proti přetížení nebo ochrany proti zkratu. U ochranných spínacích přístrojů všeobecně, k nimž výkonové spínače, ochranné spínače motorů nebo ochranné spínače vedení náleží, je zapotřebí, aby vyskytující se nadproudy, zejména zkratové proudy, byly zjištěny rychle, a aby se omezily na malé hodnoty a rychle se vypnuly. Nevýhodou mechanických ochranných spínacích přístrojů je opotřebení kontaktů, častá údržba a poměrně dlouhá spínací doba v případě krátkého spojení, jakož i poměrně malá časová přesnost okamžiku sepnutí.

Polovodičové spínače mohou naproti tomu pracovat bez opotřebení a rychle spínají. Mají nepatrné spínací ztráty a mohou být řízeny různě. Nevýhody těchto polovodičových spínačů spočívají naproti tomu ve vysokých nákladech, ve velkých nárocích na místo a v poměrně vysokých provozních ztrátách při sepnutém stavu.

Všeobecně vzato je často zapotřebí, aby střídavé proudy byly rychle omezeny na určité hodnoty, aby se nadproudy staly přijatelnými a tím se získal čas k vypnutí. Polovodičové prvky mohou být provozovány rovněž tak, že snižují proud až k úplnému vypnutí.

Úkolem vynálezu je vyvinout střídač na základě techniky polovodičů a způsob jeho provozu. Přitom vynález vychází z poznatku, že výše popsané přístroje a prvky mohou být provedeny jako střídače v nejširším slova smyslu.

Podstata vynálezu

Uvedený úkol splňuje střídač, s alespoň dvěma antisériovými polovodičovými oblastmi, které jsou vždy opatřeny emitorem, kolektorem a hradlem řídícím tok elektronů, vnitřní nulovou diodou a charakteristikami, které mají tranzistory řízené polem, a společně tvoří dráhu pro proud procházející střídačem, a s ovládacím obvodem, na jehož výstupech jsou řídicí napětí, která jsou připojena vždy k příslušnému hradlu polovodičových oblastí, podle vynálezu, jehož podstatou je, že první řídicí napětí pro první polovodičovou oblast má takovou hodnotu, že proud je omezen

-1 CZ 287568 B6 na předem stanovenou hodnotu, a druhé řídicí napětí pro druhou polovodičovou oblast má takovou hodnotu, že při předem stanovené hodnotě proudu je nulová dioda bez proudu.

Vynález přitom spočívá na poznatku, že ztráty u příslušných polovodičových prvků v propustném směru se skládají ze ztrát ve spínacím prvku a ze ztrát přídavných nulových diod, 5 často zapojených v sérii. U střídačů je možno ušetřit zvláštní nulové diody, protože bipolámí mechanismy vodivosti a s nimi související akumulační náboje se nevyskytují. Proto není zapotřebí žádných zvláštních nulových diod ani plošné diody, vyráběné zvláštní technikou. Střídač proto pracuje se zvlášť nízkými statickými a dynamickými ztrátami. Pod statickými ztrátami se rozumí ztráty při průchodu proudu a pod dynamickými ztrátami ztráty při přepínání.

Když jsou podle výhodného provedení vynálezu polovodičové oblasti vytvořeny z karbidu křemičitého SiC, vzniknou v poli charakteristik zvlášť velké a výhodné pracovní oblasti. Polovodičové oblasti mohou být podle dalších výhodných provedení vynálezu vytvořeny v mikročipu nebo mohou být vytvořeny jako diskrétní tranzistory řízené polem.

Při činnosti střídače podle vynálezu se dvěma antisériovými polovodičovými oblastmi s 15 příslušnými elektrodami řídicími tok elektronů a s příslušnou vnitřní nulovou diodou se první polovodičová oblast provozuje v prostupném směru a do její elektrody se přivádí první řídicí napětí tak, že proud protékající střídačem se omezí na předem stanovenou hodnotu, a druhá polovodičová oblast se provozuje inverzně k první polovodičové oblasti a do její elektrody se přivádí druhé řídicí napětí tak, že při předem stanovené hodnotě proudu se proud v nulové diodě 20 uzavře.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude dále blíže objasněn na příkladném provedení podle přiložených výkresů, na nichž obr. 1 znázorňuje střídač podle vynálezu, obr. 2 pro jednu polovodičovou oblast závislost proudu IDS ^mez* kolektorem a emitorem na napětí Uds mezi kolektorem a emitorem pro parametry s 25 napětím Uq$ mezi hradlem a emitorem v blízkosti počátku pro dvě antisériové oblasti a obr. 3 ve zvětšeném měřítku a s uvedením vyšších napětí mezi kolektorem a emitorem pole charakteristik pro proud Ipg na svislé ose souřadnic v závislosti na napětí Ujjs na vodorovné ose souřadnic pro antisériově zapojené polovodičové oblasti.

Příklady provedení vynálezu

Střídač podle obr. 1 pracuje se dvěma antisériovými polovodičovými oblastmi J a 2, které jsou v daném příkladu provedení znázorněny jako diskrétní tranzistory řízené polem, neboli tranzistory FET. Každá polovodičová oblast j., 2 má emitor 3, kolektor 4 a hradlo 5. V průchozím směru, například na polovodičové oblasti 1, je napětí 6, Uqsi nastaveno na takovou hodnotu, že se nastaví požadované omezení proudu mezi kolektorem 4 a emitorem 3. Napětí mezi hradlem 5 a emitorem 3 přitom představuje parametr pro omezovači křivky proudu, znázorněné na obr. 3. Na polovodičové oblasti v inverzním provozu, u příkladu provedení podle obr. 1 například na polovodičové oblasti 2, je napětí 7, Uqs2 ^mez* hradlem 5 a emitorem 3 nastaveno jen na takovou hodnotu, aby nulová dioda 8, provedená jako plošná dioda, byla bez proudu. Když je tranzistor FET proveden z karbidu křemičitého, činí prahové napětí například asi 2,8 V. U křemíku jsou prahová napětí asi 0,7 V. Napětí mezi hradlem 5 a emitorem 3 na polovodičové oblasti 2 se potom nastaví tak, aby úbytek napětí v pracovní dráze byl nižší než prahové napětí nulové diody 8.

Polovodičové oblasti 1 a 2 mohou být vytvořeny z karbidu křemičitého a mohou být vytvořeny zejména v mikročipu. Polovodičové oblasti J, 2 mohou být rovněž provedeny jako diskrétní 45 tranzistory FET, zejména jako tranzistory MOSFET.

-2CZ 287568 B6

U střídače podle obr. 1 postačí jedno řízení hradla 5 pro obě polovodičové oblasti 1, 2 v obou směrech průtoku proudu, avšak na různě vysokém potenciálu. Střídač nastaví proud I při přivedeném napětí U v závislosti na napětí 6, 7 mezi hradlem 5 a emitorem 3 na požadovanou hodnotu v poli pracovních charakteristik.

U jedné polovodičové oblasti 1, 2 s charakteristikami, jaké mají tranzistory FET, vzniknou u antisériově zapojených polovodičových oblastí J, 2 při malých napětích mezi kolektorem 4 a emitorem 3 charakteristiky podle obr. 2. Se vzrůstajícím napětím Uq§ mezi hradlem 5 a emitorem 3 přiléhají charakteristiky směrem k počátku os stále více k přímkové charakteristice 9 odporu RoN· Při jiném způsobu uvažování se při vyšších napětích mezi hradlem 5 a emitorem 3 dosáhne strmější charakteristiky 9 pro odpor Ron tedy velmi nízkého odporu RON- Tato charakteristika 9, která je interpretována jako odpor, vykazuje lineární, tedy ohmické, chování. U antisériového zapojení probíhají charakteristiky a charakteristika 9 odporu RON ^v prvním a třetím kvadrantu. U karbidu křemičitého je například úbytek napětí způsobený odporem _Rqn v průchozím směru podstatně nižší než prahové napětí nulové diody 8.

Na obr. 3 je ve zvětšeném měřítku znázorněno pole charakteristik, podobně jako na obr. 2, až k vyšším napětím mezi kolektorem 4 a emitorem Jak parametrům s vyšším napětím mezi hradlem 5 a emitorem 3. Pro napětí mezi hradlem 5 a emitorem 3 vzniknou charakteristiky omezující proud mezi kolektorem 4 a emitorem 3, které jsou přibližně rovnoběžné s vodorovnou osou souřadnic. Kvůli jednoduchosti se předpokládá, že pro polovodičové oblasti _1, 2 budou použity tranzistory FET obohaceného typu, které jsou samouzavírající a mají jeden kanál-n. Tomu odpovídá způsob znázornění na obr. 1. Nulové diody 8 mají charakteristiku, která se kryje s charakteristikou 11 v prvním a třetím kvadrantu. Provozu na charakteristice 11, která znázorňuje, že nulová dioda 8, zapojená paralelně s pracovní dráhou polovodičové oblasti J, 2, se stane účinnou v závěrném směru, je možno zabránit tím, že na polovodičové oblasti J, 2 v inverzním provozu se napětí mezi hradlem 5 a emitorem 3 nastaví jen tak veliké, že nulová dioda 8 je ještě bez proudu, což jinými slovy znamená, že se setrvá v pracovní oblasti mezi vodorovnou osou souřadnic a mezní charakteristikou 12 danou průsečíkem charakteristiky 9 odporu RoN a charakteristiky 11 pro nulovou diodu 8. Tím se při každém druhu provozu zabrání vzniku bipolámích mechanismů vodivosti, takže nevznikají akumulační náboje, čímž se statické a dynamické ztráty střídače udržují na nízkých hodnotách.

Vhodným napětím mezi hradlem 5 a emitorem 3 jako parametrem v poli charakteristik podle obr. 3 je možno nastavit požadovaný proud mezi kolektorem 4 a emitorem 3 při přepětích. Při normálním provozu střídače dochází podle charakteristiky 9 pro odpor Ron pouze k malým ztrátám, které jsou tím nižší, čím strměji charakteristika 9 pro odpor Ron probíhá. U karbidu křemičitého, a zejména u struktury na způsob tranzistoru MOSFET, je možné působit na proud I omezujícím způsobem podle obr. 1, například napětím U o hodnotě mezi asi 300 a 5000 V. Příslušné napětí mezi hradlem 5 a emitorem 3 je možno vytvořit známým způsobem ovládacím obvodem 10 podle obr. 1. Když se vždy na polovodičové oblasti 1, 2 v inverzním provozu nastaví napětí mezi hradlem 5 a emitorem 3 pouze tak velké, že nulová dioda 8 této příslušné polovodičové oblasti 1, 2 je ještě bez proudu, není zapotřebí žádných zvláštních nulových diod pro snížení dynamických ztrát, neboť tyto dynamické ztráty v podstatě vůbec nevznikají.

Popsaný střídač může být použit nejrůznějším způsobem. Může být použit například jako limitující člen zapojený do série s obvyklými ochrannými spínači, přičemž proud v limitujícím členu se omezí při přepětích na určitou hodnotu. Při normálním provozu má střídač tak nízký odpor, že statické ztráty zůstanou nízké. Střídač však může být proveden rovněž jako spínač, který při odpovídajícím napětí mezi hradlem a emitorem při přepětích proud nejprve omezí na předem stanovenou velikost a při průběžně se snižujících napětích mezi hradlem a emitorem proud sníží na nulovou hodnotu. Střídač však může být rovněž všeobecně použit k nastavení určitého proudu I v pracovní oblasti nezávisle na napětí U.

Claims (4)

1. Střídač, s alespoň dvěma antisériovými polovodičovými oblastmi (1, 2), které jsou vždy opatřeny emitorem (3), kolektorem (4) a hradlem (5) řídícím tok elektronů, vnitřní nulovou diodou (8) a charakteristikami, které mají tranzistory řízené polem, a společně tvoří dráhu pro proud (I) procházející střídačem, as ovládacím obvodem (10), na jehož výstupech jsou řídicí napětí (Uqsj, Uqs2)> která jsou připojena vždy k příslušnému hradlu (5) polovodičových oblastí (1, 2), vyznačující se tím, že první řídicí napětí (Uqsj) pro první polovodičovou oblast (1) má takovou hodnotu, že proud (I) je omezen na předem stanovenou hodnotu, a druhé řídicí napětí (Uq$2) P^ro druhou polovodičovou oblast (2) má takovou hodnotu, že při předem stanovené hodnotě proudu (I) je nulová dioda (8) bez proudu.

2. Střídač podle nároku 1, vyznačující se tím, že polovodičové oblasti (1,2) jsou vytvořeny z karbidu křemičitého.

3. Střídač podle nároku 2, vyznačující se tím, že polovodičové oblasti (1,2)jsou vytvořeny v mikročipu.

4. Střídač podle nároku 2, vyznačující se tím, že polovodičové oblasti (1, 2) jsou vytvořeny jako diskrétní tranzistory řízené polem.