PL209050B1 - Układ regeneratywny do odciążania półprzewodnikowych elementów mocy, zwłaszcza dla konstrukcji modułowych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ regeneratywny do odciążania półprzewodnikowych elementów mocy, zwłaszcza dla konstrukcji modułowych przełączeń to jest załączania i wyłączania sterowanych półprzewodników mocy takich jak tranzystory BJ, IGBT, MOSFET, tyrystorów GTO, MTC itp.

Znane układy odciążania półprzewodników elementów mocy mogą być podzielone na trzy grupy. Do pierwszej należą obwody budowane z elementów pasywnych R-D-C w których energię strat powstałych w procesie wyłączania półprzewodnikowych elementów mocy ogranicza kondensator C przyłączony w sposób równoległy poprzez diodę D do elektrod półprzewodników elementów mocy PEM, lub ewentualnie dodatkowo energia wytracana w procesie załączania ograniczana jest przez szeregowe włącznie dławika. Energia przełączania półprzewodników elementów mocy przejęta przez taki pasywny obwód jest następnie wytracana w rezystorze R co wprawdzie zmniejszy straty w samym półprzewodniku mocy ale nie podnosi sprawności energetycznej całego przekształtnika. W „Selection of Snubbers and Clamps to Optimize the Design of Transistor Switching Converter opublikowanym w IEEE Trans on Ind. Applications Vol. IA-16, No. 4/1980 pp. 513-523 podano w sposób wyczerpują cy zasady projektowania i doboru elementów takich obwodów. Do drugiej grupy układów odciążania półprzewodników mocy należą układy pasywne z dodatkowym obwodem rekuperacji energii znane z „High-voltage high-frequency power switching transistor module with switching-aid-circuit energy recovery opublikowanym w IEE Proceedings, Vol. 131, Pt B, No. 1 January 1984 pp. 7-12 oraz „Analysis and Optimization of Regenerative Linear Snubbers opublikowanym w IEEE Trans on Ind. Applications Vol. 4 no. 3 July 1989. Wadą znanych rozwiązań pasywnych obwodów odciążania jest to, że nie mogą być zastosowane we współcześnie produkowanych modułach półprzewodnikowych mocy ze względów na sposób wykonania połączeń w module na przykład braku wyprowadzeń indywidualnych wszystkich elektrod wchodzących w skład modułu półprzewodników mocy. Do trzeciej grupy należą układy z obwodem rezonansowym załączanym dodatkowo użytym półprzewodnikiem mocy, którego zadaniem jest przejęcie prądu obciążenia głównego półprzewodnika mocy na czas komutacji, bądź wykorzystujące rezonans własny obwodu obciążenia. Ta grupa układów opisana jest w „A novel Active Soft Switching Snubber Designed for Boost Converter opublikowanym w IEEE Trans on Power Electronics Vol. 19 No 3 May 2004.

Układ regeneratywny do odciążania półprzewodnikowych elementów mocy zawierający dławik indukcyjny włączony w sposób szeregowy pomiędzy jeden biegun źródła zasilania a pierwszą elektrodę półprzewodnikowego elementu mocy, charakteryzuje się tym, że w miejscu kondensatora przyłączonego poprzez diodę zastosowano obwód odciążenia elementu półprzewodnikowego mocy. Obwód odciążenia składa się z dwóch gałęzi połączonych równolegle, z których każda składa się z szeregowego połączenia kondensatora, diody i dławika w taki sposób, że jeśli pierwsza gałąź stanowi połączenie w kolejności kondensator - dioda - dławik to druga połączona jest w kolejności odwrotnej tj. dławik - dioda - kondensator. Powstałe punkty wspólnego połączenia diody z kondensatorem w każdej gałęzi połączone są pomiędzy sobą poprzez dodatkową diodę w taki sposób, że powstaje połączenie szeregowe trzech diod o przewodzeniu jednokierunkowym. Wspólny punkt powstały z połączenia kondensatora z pierwszej gałęzi z dławikiem gałęzi drugiej stanowi wejście obwodu odciążania i jest przyłączony do jednej elektrody półprzewodnika mocy. Drugi wspólny punkt powstały z połączenia kondensatora drugiej gałęzi i dławika pierwszej gałęzi stanowi wyjście obwodu odciążania jest natomiast połączony z wejściem układu rekuperacji. Wejście obwodu rekuperacji stanowi punkt połączenia kondensatora i anody pierwszej diody oraz katody drugiej diody, której anoda łączy się następnie z drugim końcem kondensatora, katodą trzeciej diody i następnym kondensatorem. Drugi koniec tego kondensatora przyłączony jest do katody pierwszej diody i stanowi pierwsze wyjście obwodu rekuperacji, które łączy się z punktem wspólnego połączenia elementów modułu. Natomiast anoda trzeciej diody stanowi drugie wyjście obwodu rekuperacji i jest połączone drugą elektrodą elementu modułu.

Zaletą układu według wynalazku jest to, że tak powstały obwód odciążania z indukcyjnością własną źródła zasilania i doprowadzeń nie wykazuje charakteru rezonansowego, co pozwala na uniknięcie niepożądanych przepięć jak i z tym związanych strat energii. Dodatkowe powiększenie indukcyjności od strony źródła zmniejsza straty energii powstałe w chwili załączenia jak i poprawia kompatybilność elektromagnetyczną układu zmniejszając w sposób istotny stromość przełączanych prądów.

Przedmiot wynalazku opisany jest w przykładzie wykonania i przedstawiony na rysunku, który zawiera schemat układu odciążania i rekuperacji energii zastosowany do ochrony modułu chopperowego dioda - tranzystor IGBT o topologii „górnego tranzystora.

PL 209 050 B1

Zacisk dodatni źródła zasilania 1 jest połączony w sposób szeregowy poprzez dławik 2 z kolektorem tranzystora 51 modułu 5. Tak powstały punkt połączony jest jednocześnie z pierwszym końcem dławika 31 i pierwszym końcem kondensatora 34, którego drugi koniec przyłączony jest równocześnie do katody diody 37 i anody diody 33 której to katoda połączona jest anodą diody 32 i pierwszym końcem kondensatora 35, katoda diody 32 połączona jest z drugim końcem dławika 31, natomiast drugi koniec kondensatora 35 połączony jest z pierwszym końcem dławika 36 którego drugi koniec połączony jest z anodą diody 37. Wspólny punkt połączeń kondensatora 35 i dławika 36 połączony jest jednocześnie z anodą diody 41 i katodą diody 43 i jednym końcem kondensatora 44, którego drugi koniec połączony jest z anodą diody 43 i wspólnym punktem połączenia kondensatora 42 i katody diody 45, której anoda połączona jest z anodą diody 53 modułu 5. Drugi koniec kondensatora 42 połączony jest jednocześnie z katodą diody 41 i ze wspólnym punktem połączenia wewnętrznego katody 53 i anody diody 54 oraz emitera tranzystora 51

Tak powstałe wzajemne połączenia elementów 31, 32, 33, 34, 35 i 36 tworzą obwód 3 odciążania tranzystora 51, natomiast połączenia elementów 41, 42, 43, 44 i 45 tworzą obwód 4 rekuperacji energii, którego zadaniem jest przejmowanie energii przełączania tranzystora 51 z obwodu odciążania i przekazywania do obciążenia 6.

Działanie układu z rysunku jest następujące: w chwili wyłączania tranzystora 51 część prądu kolektora zaczyna płynąć przez kondensator 34, diodę 33, kondensator 35 oraz diodę 41, co prowadzi do spowolnienia narastania napięcia kolektor-emiter tranzystora w efekcie dając zmniejszenie strat wyłączania. Z chwilą zakończenia przewodzenia prądu przez tranzystor cały prąd obciążenia płynie przez tak powstały obwód aż do momentu gdy suma napięć na kondensatorach 34 i 35 nie osiągnie wartości napięcia zasilania 1. Od tej chwili następuje proces doładowania szeregowo połączonych kondensatorów 34 i 35 energią zgromadzoną w dławiku 2, który trwa do całkowitego zaniku prądu dławika. Również jednocześnie rozpoczyna się proces przekazywania energii zgromadzonej w pojemności 42 z poprzedniego cyklu pracy do obciążenia 6, który trwa do całkowitego rozładowania kondensatora 42. Ponowne załączenie tranzystora 51 powoduje podanie napięcia źródła zasilania 1 na obciążenie 6, oraz przeładowanie energii zgromadzonej w kondensatorach 34 i 35 do kondensatora 42 poprzez diodę 44, dławiki 31 i 36, i diody 32 i 37 w sposób rezonansowy a więc o małych stratach energii.

Podstawową cechą która wyróżnia obwód odciążania według wynalazku jest to, że w procesie ładowania energią kondensatory 34, 35 łączone są samoczynnie w sposób szeregowy, natomiast podczas rozładowania w sposób równoległy. Ta właściwość obwodu odciążania zapobiega pojawianiu się niepożądanemu dodatkowego rezonansu co w istotny sposób ogranicza straty oraz zmniejsza oddziaływanie elektromagnetyczne całego układu na środowisko.

Claims (1)

1. Układ regeneratywny do odciążania półprzewodnikowych elementów mocy, zawierający dławik indukcyjny włączony w sposób szeregowy pomiędzy jeden biegun źródła zasilania a pierwszą elektrodę półprzewodnikowego elementu mocy, znamienny tym, że zawiera obwód odciążania (3) dołączony do pierwszej elektrody modułu (5) oraz wspólnego punktu połączeń jednego końca pierwszego dławika indukcyjnego (31) i jednego końca pierwszego kondensatora (34), którego drugi koniec jest połączony z anodą pierwszej diody (33) i z katodą drugiej diody (37), która jest połączona z pierwszym końcem drugiego dławika indukcyjnego (36), którego drugi koniec jest połączony z pierwszym końcem drugiego kondensatora (35), a którego drugi koniec połączony jest z katodą pierwszej diody (33) i jednocześnie z anodą diody trzeciej (32), której katoda jest połączona z drugim końcem pierwszego dławika indukcyjnego (31), zaś wspólny punkt połączeń drugiego końca drugiego dławika indukcyjnego (36) i pierwszego końca kondensatora (35) połączony jest jednocześnie z katodą pierwszej diody (44), jednego końca kondensatora (43) oraz anody drugiej diody (41) obwodu rekuperacji energii (4), katoda drugiej diody (41) połączona jest z pierwszym końcem drugiego kondensatora (42) oraz z drugą elektrodą modułu (5) stanowiącym wspólny punkt połączeń emitera tranzystora (51) i anody jego odwrotnie równolegle przyłączonej diody (52) i katody diody (53) modułu, drugi koniec drugiego kondensatora (42) połączony jest jednocześnie z drugim końcem kondensatora (43) i anodą diody (44) oraz z katodą trzeciej diody (45), której anoda połączona jest z trzecią elektrodą modułu (5) i drugim biegunem źródła zasilania (1), a obciążenie (6) połączone jest w sposób równoległy do diody (53) modułu (5).