NO310846B1 - Vekselströmstyreenhet - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en vekselstrømstyreenhet som arbeider med minst to antiserielle halvlederområder. Halvlederområdene som er forsynt med elektronemitter (kilde), elektronkollektor (dren) og styreelektrode (grind) for elektronstrømmen, har karakteristikker som felteffekttransistorer FET. I henhold til nåværende kunnskap har de i inversdrift teknologiavhengig også et indre "diodelegeme".

En kjent effektbryter (WO 93/11608) arbeider med to antiserielle FET og har anordnet elektrisk parallelt til et halvlederelement med to antiserielle FET utløserleddet til en som relé virkende komponent, som ved hjelp av avbryter-kontakter kan bryte en beskyttende ledningsbane. Halvlederelementet er der innstilt slik at dets indre motstand ved en bestemt styrespenning på en styreelektrode og en arbeidsspenning i lederetningen på arbeidselektroder som befinner seg i en ledningsbane har en lav verdi, og dets indre motstand stiger sprangvis ved stigende spenning på arbeidselektrodene. Ved stigning av den indre motstand påtrykkes det på det parallelt anordnede utløserelement spenning som fører til utløsning.

Elektriske anlegg må henholdsvis være koblet til et nett, eller være adskilt fra nettet. Ved mekaniske brytere foreligger optimerte løsninger som i praksis tilfredsstiller de tekniske krav med hensyn til overlast- og kortslutningsvera, eksempelvis ved motorer, motorvernbrytere. Ved verneapparatanlegg generelt, til hvilke effektbrytere, motorvernebrytere eller andre effektvernebryter hører, er det vanskelig å raskt detektere opptredende overlaststrømmer, særlig kortslutningsstrømmer og begrense dem til små verdier og til slutt koble dem ut. Ulemper ved mekaniske verneapparatanlegg er kontaktslitasjen, hyppig vedlikehold og forholdsvis langsom koblingstid i kortslutningstilfeller samt den forholdsmessige lave tidsmessige nøyaktighet for koblingstidspunktet.

Halvlederbrytere kan derimot arbeide slitasjefritt, koble raskt, de har lave koblingstap og de kan styres variabelt. Ulemper ved halvlederbrytere er derimot høye kostnader, stort plassbehov og forholdsvis høye ledetap.

Generelt er det ofte ønskelig raskt å kunne begrense vekselstrømmer til be-stemte verdier, slik at overstrømmer kan håndteres eller dermed holdes til-bake til tidspunktet for utkobling. Halvlederelementer kan også drives slik at de holder en strøm nede inntil utkoblingen.

Hensikten med oppfinnelsen er å utvikle en fordelaktig

vekselstrømstyreenhet i halvlederteknikk. Oppfinnelsen er i den forbindelse basert på den erkjennelse at de tidligere omtalte apparater og elementer kan utføres som vekselstrømstyreenheter i videste forstand.

Løsningen på den angitte hensikt oppnåes i henhold til oppfinnelsen ved hjelp av en vekselstrømstyreenhet i henhold til krav 1. Ved antiserielle halvlederområder er i hvert tilfelle grind-kilde-spenningen over halvlederområdet i lederetningen innstilt så stor at det fåes en ønsket begrensning av dren-kilde-strømmen. Over halvlederområdet i inversdrift er i hvert tilfelle grind-kilde-spenningen slik innstilt at diodelegemet fortsatt er strømløst. Det annet halvlederområde har altså ved denne strøm et slikt spenningsfall at dets - diodelegeme fortsatt er strømløst. Oppfinnelsen er i den forbindelse basert på den erkjennelse at ledetapene ved hithørende halvlederelementer er sammensatt av tapene i svitsjeelementet og av tapene til ofte i serie koblede, ytterligere friløpsdioder. Ved vekselstrømstyreenheten blir friløpdiodene overflødige, da bipolare ledningsevnemekanismer og dermed sammenhengende lagringsladninger ikke opptrer. Man behøver derfor ikke særskilte friløpsdioder og heller ikke kommer den halvlederteknisk betingede diodelegeme i betraktning. Vekselstrømstyreenheter arbeider følgelig med særlig lave statiske og dynamiske tap. Med statiske tap forstås tapene ved strømledningen og med dynamiske tap omkoblingstapet.

Når halvlederområdene er dannet av silisiumkarbid, SiC, fås i karakteristikkfeltet særlig store og gunstige arbeidsområder. Halvlederområdene kan være dannet på en mikrobrikke eller være utført som diskrete FET.

Oppfinnelsen skal nå forklares nærmere i tilknytning til på tegningen grovt skjematisk gjengitte utførelseseksempler.

På fig. 1 er en vekselstrømstyreenhet vist. På fig. 2 er for et halvlederområde dren-kilde-strømmen, IDS, vist med hensyn på dren-kilde-spenningen UDS for parametere med grind-kilde-spenningen, UGS, i nærheten av origo for to antiserielle områder. På fig. 3 er for antiserielt koblede halvlederområder i en annen målestokk og under bruk av høyere dren-kilde-spenninger vist et karakteristikkfelt med hensyn på IDS på ordinaten og Uds på abscissen, for antiserielt koblede halvlederområder.

Vekselstrømstyreenheten på fig. 1 arbeider med to antiserielle halvlederområder 1 og 2 som i utførelseseksempelet er vist som diskrete FET. Hvert halvlederområde har en kilde 3, en dren 4 og en grind 5.1 lederetningen, eksempelvis ved halvlederområdet 1, er grind-kilde-spenningen 6, UGS, innstilt så høy at det fås en ønsket begrensning av dren-kilde-strømmen. Grind-kilde-spenningen er herved parameter til strømbegrensningslinjene, slik de er vist på fig. 3. Ved halvlederområdet i inversdrift, i utførelseseksempelet på fig. 1 kan det være halvlederområde 2, er grind-kilde-spenningen 7, UGS2- bare innstilt så høyt at diodelegemet 8 er strømløst. Med en FET av silisiumkarbid utgjør terskelspenningen eksempelvis ca. 2,8 V. Ved silisium er terskelspenninger på ca. 0,7 V gangbare. Grind-kilde-spenningen over halvlederområdet 2 skal da stilles inn, slik at spenningsfallet i arbeidsgrenen er lavere enn terskelspenningen til diodelegemet.

Halvlederområdene 1 og 2 kan være dannet av silisiumkarbid og særlig utført i en mikrobrikke. Halvlederområdene kan også være utført som diskrete FET, særlig som MOSFET.

Ved vekselstrømstyreenheten på fig. 1 er det tilstrekkelig med en grind-påstyring for begge halvlederområder 1, 2 i begge strømretninger, riktignok med forskjellig høyt potensial. Vekselstrømstyreenheten innstiller en strøm I ved en påtrykket spenning U, avhengig av grind-kilde-spenningen 6,7, på en ønsket verdi i arbeidskarakteristikkfeltet.

Ved et halvområde med karakteristikker som de FET har, fås ved antiserielt koblede halvlederområder og små dren-kilde-spenninger karakteristikker som på fig. 2. Med stigende grind-kilde-spenning UGS som parameter heller karakteristikkene som begynner i origo, stadig sterkere mot den rette linje 9, RON. Betraktet på annen måte oppnås det ved høye grind-kilde-spenninger en steil karakteristikk for «på»-motstanden, altså en meget lav «på»-motstand. Denne karakteristikk som skal tolkes som motstand, har et lineært, ohmsk forløp. Ved antiseriell kobling ligger karakteristikken av R0N i første og tredje kvadrant. Eksempelvis er ved silisiumkarbid det av RqN forårsakede spenningsfall i lederetningen tydelig mindre enn terskelspenningen til diodelegemet.

På fig. 3 er det i en annen målestokk vist et karakteristikkfelt som på fig. 2 og opp til høyere dren-kilde-spenninger og parametere med høyere grind-kilde-spenninger. For grind-kilde-spenninger fremstår karakteristikkene som begrenser dren-kilde-strømmen, omtrent parallelle til abscissen. For en-kelthets skyld skal det antas at det benyttes FET av om anrikingstypen (anrikning) for halvlederområdene og som er selvsperrende og har en n-kanal. Gjengivelsen på fig. 1 svarer til dette. Diodelegemene 8 gir en overlagring med en karakteristikk 11 i første og tredje kvadrant. Drift på karakteristikken 11 som tilkjennegir at diodelegemet trer i virksomhet i sperreretningen parallelt til arbeidsgrenen for halvlederområdet, kan unngås ved at i inversdrift innstilles grind-kilde-spenningen over halvlederområdet bare så stor at diodelegemet fortsatt er strømløst, slik at man følgelig med andre ord forblir i et arbeidsområde mellom abscissen og grenselinjen 12 gjennom skjæringspunktet mellom RON-motstanden 9 og karakteristikken 11 for diodelegemet. Dermed unngår man ved hver driftsmode bipolare ledningsevnemekanismer, slik at lagringsladninger ikke opptrer, hvorved de statiske og dynamiske tap til vekselstrømstyreenheten holdes lave.

Med en egnet grind-kilde-spenning som parameter i karakteristikkfeltet i

fig. 3 kan en ønsket dren-kilde-strøm innstilles ved overspenninger. Ved normal drift av vekselstrømstyreenheten opptrer tilsvarende karakteristikken 9 for RoN-motstanden, bare lave tap som er dess lavere, dess steilere karakteristikken 9 forløper. Ved siliciumkarbid, og særlig ved en struktur i form av en MOSFET, er det mulig å virke strømbegrensende, eksempelvis mellom ca. 300 og 5000 V, for spenningen U på fig. 1. Den forekommende grind-kilde-spenning kan ved hjelp av en påstyringskobling 10 i henhold til fig. 1 genere-res på i og for seg kjent måte. Når grind-kilde-spenningen over halvlederområdet i hvert tilfelle innstilles så stor i inversområdet at diodelegemet til det angjeldende halvlederområde fortsatt er strømløs, trenger man ingen særlig særskilte friløpsdioder for å redusere de dynamiske tap, da de hoved-sakelig slett ikke opptrer.

Den her omtalte vekselstrømstyreenhet kan få de mest forskjellige anvendelser. Således kan den eksempelvis benyttes som særskilt begrenser i serie med kommersielle veraebrytere, idet strømmen i begrenseren er begrenset til en bestemt verdi ved overspenninger. Ved merkedrift har den på den annen side så lav motstand at de statiske tap blir lave. Vekselstrømstyreenheten kan imidlertid også være utført som brytere som for tilsvarende grind-kilde-spenning ved overspenninger, først begrenser strømmen til et forhåndsbestemt mål og for tilsvarende løpende reduserte grind-kilde-spenninger senker strømmen. Vekselstrømstyreenheten kan dertil allment benyttes til å innstille en bestemt strøm i et arbeidsområde, uavhengig av spenningen U.

Claims (4)

1. Vekselstrømstyreenhet som arbeider med minst to antiserielle halvlederområder (1,2) som hver omfatter elektronemittere (3), elektronkol-lektorer (4) og elektroder (5) som styrer elektronstrømmen, samt karakteristikker som felteffekttransistorer (FET) har, og følgelig teknologisk betinget også indre diodelegeme, karakterisert ved at det første halvlederområdet (1;2) som drives i lederetningen har en grind-kilde-spenning (7) som er valgt, slik at den fastsetter begrensningen av vekselstrømstyreenhetstrømmen til en forhåndsgitt verdi, og at grind-kilde-spenningen over annet halvlederområdet (2; 1) som arbeider i inversdrift, og den forhåndsgitte verdi av vekselstrømsstyreenhetenstrømmen over første halvlederområdet (1; 2) velges slik at det annet halvlederområdet (2; 1) ved denne strøm har et slikt spenningsfall at dets diodelegeme (8) fortsatt er strømløst.

2. Vekselstrømstyreenhet i henhold til krav 1, karakterisert ved at halvlederområdene (1, 2) er dannet av siliciumkarbid (SiC).

3. Vekselstrømstyreenhet i henhold til krav 2, karakterisert ved at halvlederområdene er dannet i en mikrobrikke.

4. Vekselstrømstyreenhet i henhold til krav 2, karakterisert ved at halvlederområdene (1, 2) er utført som diskrete felteffekttransistorer (FET).