PL172620B1 - Nastawnik pradu przemiennego PL PL PL PL - Google Patents

Abstract

1. Nastawnik pradu przemiennego zbudowany z co najmniej dwóch wlaczonych szeregowo w przeciw- nych kierunkach struktur pólprzewodnikowych, z któ- r ych kazda ma zródlo, dren i branke, o charakterystykach podobnych do charakterystyk tranzystora FET, oraz wewnetrzna diode podlozowa, znamienny tym, ze do kazdej ze struktur pólprzewodnikowych (1, 2) wlaczo- nych w kierunku przewodzenia jest dolaczone zródlo napiecia (7, 6) bramka - zródlo o wartosci wyznacza- jacej zadane ograniczenie pradu dren - zródlo zas do kazdej ze struktur pólprzewodnikowych (2, 1) wla- czonych w kierunku odwrotnym jest dolaczone zródlo napiecia (7, 6) bramka - zródlo o wartosci, przy której dioda podlozowa (8) jeszcze nie przewodzi. F I G 1 PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest nastawnik prądu przemiennego.

W znanym z publikacji WO 93/11608 wyłączniku dużej mocy, w którym pracują dwa włączone szeregowo w przeciwnych kierunkach tranzystory FET, równolegle z elementami półprzewodnikowymi jest połączony człon wyłączający z elementem konstrukcyjnym działającym w charakterze przekaźnika, który za pomocą styków przerywających może dokonać ochronnego przerwania obwodu przewodzącego. W tym przypadku rezystancja wewnętrzna elementu półprzewodnikowego, przy określonym napięciu sterującym na elektrodzie sterującej i przy napięciu roboczym w kierunku przewodzenia w elektrodach roboczych obwodu przewodzącego, ma małą wartość oraz przy wzroście napięcia a elektrodach roboczych wzrasta skokowo. W przypadku wzrostu rezystancji wewnętrznej, na włączonym równolegle członie wyłączającym odkłada się napięcie, które może spowodować wyłączenie wyłącznika.

Instalacje elektryczne wymagają wyłączania lub włączania do sieci. W przypadku łączników mechanicznych w praktyce stosuje się rozwiązania, w stosunku do których obowiązują pewne wymagania techniczne, na przykład w przypadku napędów i łączników ochronnych silników, odnoszące się do ochrony przed przeciążeniami i zwarciami. Zwykle w przypadku ochronnych urządzeń wyłączających, pożądanejest, aby stosowane w nich wyłączniki ochronne silników albo wyłączniki zabezpieczające w przewodach zasilających szybko wykrywały występujące prądy przeciążenia, zwłaszcza prądy zwarciowe, ograniczając je do wartości niewielkich, i na koniec powodując wyłączenie. Wady mechanicznych ochronnych urządzeń wyłączających polegają na zużywaniu się styków, konieczności częstej konserwacji i powolności wyłączania w przypadku zwarcia, jak również stosunkowo niewielkiej dokładności czasowej momentu wyłączenia.

Natomiast wyłączniki półprzewodnikowe zapewniają szybką komutację, mają ograniczone straty wyłączania i umożliwiają sterowanie z regulacją. Wadą wyłączników półprzewodnikowych są natomiast wysokie koszty, większe wymagania przestrzenne i dużo większe straty przewodzenia. Straty w kierunku przewodzenia w przypadku omawianych elementów półprzewodnikowych składają się ze strat elementu komutacyjnego i strat zwykle włączonych szeregowo dodatkowych diod biegu jałowego.

Istotą nastawnika prądu przemiennego według wynalazku zbudowanego z co najmniej dwóch włączonych szeregowo w przeciwnych kierunkach struktur półprzewodnikowych, z

172 620 których każda ma źródło, dren i bramkę, o charakterystykach podobnych do charakterystyk tranzystora FET, oraz wewnętrzną diodę podłożową, jest to, że do każdej ze struktur półprzewodnikowych włączonych w kierunku przewodzenia jest dołączone źródło napięcia bramka źródło o wartości wyznaczającej żądane ograniczenie prądu dren - źródło zas do każdej ze struktur półprzewodnikowych włączonych w kierunku odwrotnym jest dołączone źródło napięcia bramka - źródło o wartości, przy której dioda podłożowa jeszcze nie przewodzi.

Korzystne jest, gdy zgodnie z wynalazkiem struktury półprzewodnikowe są wykonane z węglika krzemu (SiC), ukształtowane w postaci jednego układu scalonego lub też wykonane w postaci dyskretnych tranzystorów FET.

Zaletą nastawnika prądu przemiennego według wynalazkujest to, że diody biegu jałowego są zbędne, ponieważ nie występują mechanizmy przewodzenia bipolarnego, a zatem i związane z tym ładunki akumulacyjne. Nie są potrzebne przy tym ani specjalne diody biegu jałowego, ani nie wykorzystuje się powstających w technologii półprzewodnikowej diod podłożowych. Nastawnik prądu przemiennego pracuje zatem ze szczególnie niewielkimi stratami statycznymi i dynamicznymi. Przez straty statyczne rozumie się straty w kierunku przepustowym, a przez straty dynamiczne rozumie się straty przełączania.

Wynalazek w przykładzie wykonania jest przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat nastawnika prądu przemiennego, fig. 2 - zależność prądu dren - źródło Ids od napięcia dren - źródło Uds, przy parametrze odpowiadającym napięciu bramka - źródło w pobliżu początku dwóch włączonych szeregowo w przeciwnych kierunkach struktur półprzewodnikowych a fig. 3 - w innej skali, przy uwzględnieniu wyższych napięć dren - źródło, pole charakterystyk dla prądu Ids na osi rzędnych i napięcia Uds na osi odciętych dla włączonych szeregowo w przeciwnych kierunkach struktur półprzewodnikowych.

Nastawnik prądu przemiennego z fig. 1 jest zbudowany z włączonych szeregowo w przeciwnych kierunkach struktur półprzewodnikowych 1 i 2, które w przykładzie wykonania przedstawione sąjako dyskretne tranzystory FET. W skład każdej z tych struktur półprzewodnikowych 1, 2 wchodzi źródło 3, dren 4 i bramka 5. W kierunku przewodzenia, na przykład w obszarze półprzewodnikowym 1, napięcie 6 bramka - źródło (Ugsi) jest ustawione na tyle duże, że umożliwia ustawienie pożądanego ograniczenia prądu dren - źródło. Napięcie 6 bramka źródło jest przy tym parametrem dla charakterystyk ograniczania prądowego, jak to pokazano na figurze 3. w zakresie pracy w kierunku odwrotnym, w przykładzie wykonania z fig. 1, w strukturze półprzewodnikowej 2, napięcie 7 bramka - źródło (Ugs?), ustawione jest na tak małą wartość, że dioda podłożowa 8, nie przewodzi. Na przykład, w przypadku tranzystora FET z węglika krzemu, napięcie progowe wynosi około 2,8 V, zaś w przypadku krzemu występuje napięcie około 0,7 V. Napięcie 7 bramka - źródło w strukturze półprzewodnikowej 2 ustawia się zatem tak, aby spadek napięcia na ścieżce roboczej był niższy od napięca progowego diody podłożowej 8.

Struktury półprzewodnikowe 1 i 2, mogą być wykonane z węglika krzemu, a zwłaszcza wykonane w postaci jednego układu scalonego. Struktury półprzewodnikowe mogą być również wykonane jako dyskretne tranzystory FET, zwłaszcza MOSFET.

W przypadku nastawnika prądu przemiennego według fig. 1 sterowanie bramek obu struktur półprzewodnikowych 1, 2, w obu kierunkach przepływu prądu, wymaga różnych potencjałów. Nastawnik prądu przemiennego ustawia pewien prąd I przy przykładaniu napięcia U, w zależności od napięcia 6, 7 bramka - źródło, na pożądaną wartość w polu charakterystyk roboczych.

W przypadku struktury półprzewodnikowej o charakterystyce tranzystora FET, dla szeregowo włączonych w przeciwnych kierunkach struktur półprzewodnikowych, otrzymuje się charakterystyki dla małych napięć dren - źródło według figury 2. Przy wzroście napięcia bramka - źródło Ugs jako parametru, charakterystyki w miarę oddalania się od ich obszaru początkowego zbliżają się coraz silniej do prostej 9 rezystancji strat Ron. Przy innym sposobie rozpatrywania, dla dużych napięć bramka - źródło, otrzymuje się charakterystykę o dużym nachyleniu, a więc odpowiadającą bardzo małej rezystancji Ron. Ta charakterystyka interpretowana jako rezystancja wykazuje charakter liniowy. Przy szeregowym włączeniu struktur półprzewodnikowych w przeciwnych kierunkach charakterystyki i wykresy rezystancji Ron przebiegają w kwadrantach

172 620 pierwszym i trzecim. Na przykład, w przypadku węglika krzemu spowodowany przez rezystancję Ron spadek napięcia w kierunku przepustowym jest wyraźnie mniejszy od napięcia progowego diody podłożowej.

Na figurze 3 przedstawiono w zmienionej skali pole charakterystyk podobnych, jak na fig. 2, dla wysokich napięć dren - źródło przy parametrach odpowiadających większemu napięciu bramka - źródło. Dla napięć bramka - źródło otrzymuje się charakterystyki ograniczania prądu dren - źródło prawie równoległe do osi odciętych. Dla uproszczenia można założyć, że stosuje się tranzystory FET pracujące ze wzbogacaniem obszaru półprzewodnikowego, które mają właściwość samozatykania się i mają kanał n. Odpowiada temu sytuacja przedstawiona na fig.

1. Właściwości diod podłożowych 8 odpowiadają charakterystyce 11 w kwadrantach pierwszym i trzecim. Można uniknąć pracy w warunkach określonych przez charakterystykę 11, która wykazuje, że dioda podłożowa 8 równoległa do ścieżki roboczej struktury półprzewodnikowej w kierunku zaporowym jest aktywna, ponieważ w strukturze półprzewodnikowej w warunkach pracy w kierunku zaporowym napięcie bramka - źródło jest ustawione na taką zaledwie wartość, że dioda podłożowa 8 jeszcze nie przewodzi, czyli że jej warunki pracy znajdują się w obszarze roboczym między osią odciętych i linią graniczną 12 przechodzącą przez punkt przecięcia prostej 9 z charakterystyką 11 dla diody podłożowej 8. Dzięki temu w każdym z rodzajów pracy unika się bipolarnych mechanizmów przewodzenia, tak że nie prądu przemiennego na niskim poziomie.

Przy odpowiednim dobraniu napięcia bramka - źródło jako parametru w polu charakterystyk z fig. 3, można nastawić pożądany prąd dren - źródło przy przepięciach. W warunkach normalnej pracy nastawnika prądu przemiennego występują, zgodnie z prostą 9 dla rezystancji Ron tylko niewielkie straty, które są tym mniejsze, im bardziej stromajest prosta 9. W przypadku węglika krzemu, a zwłaszcza w przypadku struktury typu MOSFET, można otrzymać ograniczenie prądowe do wartości napięcia U z fig. 1 zawierającej się między 300 a 5000 V. Odpowiednie napięcie bramka - źródło można otrzymać za pomocą układu sterującego 10 z fig.

1. Jeżeli w strukturze półprzewodnikowej w warunkach pracy w kierunku zaporowym napięcie bramka - źródło jest ustawione na wartość na tyle niską, że dioda podłożowa 8 danej struktury półprzewodnikowej jeszcze nie przewodzi, to nie występuje potrzeba stosowania specjalnych diod biegu jałowego dla obniżenia strat dynamicznych, ponieważ w zasadzie one wcale nie występują.

Nastawnik prądu przemiennego według wynalazku może znaleźć różne zastosowania. Na przykład, może być stosowany jako oddzielny ogranicznik łączony szeregowo z typowymi wyłącznikami ochronnymi, przy czym prąd ogranicznika przy przepięciach jest ograniczany do nastawionej wartości. Przy pracy znamionowej ma on natomiast na tyle niewielką rezystancję, że straty statyczne są małe. Nastawnik prądu przemiennego może być również wykonany jako łącznik, który mając zadane odpowiednie napięcie bramka - źródło przy przepięciach ogranicza najpierw prąd do zadanej wartości, i następnie zmniejsza prąd przy odpowiednim przebiegu zmian napięcia bramka - źródło. Nastawnik może być również wykonany tak, aby umożliwiał w pewnym obszarze roboczym nastawienie określonego prądu I, niezależnie od napięcia U.

172 620

172 620

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Nastawnik prądu przemiennego zbudowany z co najmniej dwóch włączonych szeregowo w przeciwnych kierunkach struktur półprzewodnikowych, z których każda ma źródło, dren i bramkę, o charakterystykach podobnych do charakterystyk tranzystora FET, oraz wewnętrzną diodę podłożową, znamienny tym, że do każdej ze struktur półprzewodnikowych (1, 2) włączonych w kierunku przewodzenia jest dołączone źródło napięcia (7, 6) bramka - źródło o wartości wyznaczającej żądane ograniczenie prądu dren - źródło zaś do każdej ze struktur półprzewodnikowych (2, 1) włączonych w kierunku odwrotnym jest dołączone źródło napięcia (7, 6) bramka - źródło o wartości, przy której dioda podłożowa (8) jeszcze nie przewodzi.
2. 2. Nastawnik według zastrz. 1, znamienny tym, że struktury półprzewodnikowe (1,2) są wykonane z węglika krzemu (SiC).
3. 3. Nastawnik według zastrz. 1, znamienny tym, że struktury półprzewodnikowe (1,2) są ukształtowane w postaci jednego układu scalonego.
4. 4. Nastawnik według zastrz. 1, znamienny tym, że struktury półprzewodnikowe (1,2) są wykonane w postaci dyskretnych tranzystorów FET.