RU168443U1 - High voltage key device - Google Patents

High voltage key device Download PDF

Info

Publication number
RU168443U1
RU168443U1 RU2016142292U RU2016142292U RU168443U1 RU 168443 U1 RU168443 U1 RU 168443U1 RU 2016142292 U RU2016142292 U RU 2016142292U RU 2016142292 U RU2016142292 U RU 2016142292U RU 168443 U1 RU168443 U1 RU 168443U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
field
rack
control
mos transistor
key
Prior art date
Application number
RU2016142292U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Игорь Павлович Воронин
Павел Анатольевич Воронин
Сергей Юрьевич Кузин
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ")
Priority to RU2016142292U priority Critical patent/RU168443U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU168443U1 publication Critical patent/RU168443U1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/72Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices having more than two PN junctions; having more than three electrodes; having more than one electrode connected to the same conductivity region
    • H03K17/73Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices having more than two PN junctions; having more than three electrodes; having more than one electrode connected to the same conductivity region for dc voltages or currents
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking

Landscapes

  • Electronic Switches (AREA)
  • Direct Current Feeding And Distribution (AREA)

Abstract

Высоковольтное ключевое устройство относится к области конструирования высоковольтных силовых полупроводниковых ключей и модулей и может быть использовано в схемах и устройствах энергетической электроники среднего и высокого уровня напряжения. Устройство содержит первый силовой вывод [1], второй силовой вывод [2], третий управляющий вывод [3], (N-1) дополнительных силовых выводов [4], [5] и [6], стойку [7] из N последовательно соединенных ключей с полевым управлением [8], [9], [10] и [11], стойку [12] из (N-1) фиксирующих диодов [13], [14] и [15], управляющий n-канальный МОП-транзистор [16]. Сток первого полевого ключа [8] подключен к первому силовому выводу [1], исток N-го полевого ключа [11] соединен со стоком управляющего МОП-транзистора [16], при этом исток управляющего МОП-транзистора [16] подключен ко второму силовому выводу [2], а затвор управляющего МОП-транзистора [16] подключен к третьему управляющему выводу [3]. К затвору каждого из (N-1) полевых ключей [8], [9] и [10] в стойке последовательно соединенных ключей с полевым управлением [7] присоединен анод соответствующего диода [13], [14] и [15] стойки [12] из (N-1) фиксирующих диодов, при этом катод соответствующего диода [13], [14] и [15] из стойки (N-1) фиксирующих диодов [12] присоединен к соответствующему дополнительному силовому выводу [4], [5] и [6]. Устройство снабжено стойкой [17] из (N-1) последовательно соединенных форсирующих конденсаторов, первая обкладка каждого из (N-1) форсирующих конденсаторов [18], [19] и [20] подключена к затвору соответствующего полевого ключа [8], [9] и [10] из стойки [7] последовательно соединенных ключей с полевым управлением, при этом вторая обкладка (N-1) - го форсирующего конденсатора [20] и затвор N-го полевого ключа [11] соединены с истоком управляющего n-канального МОП-транзистора [16]. 4 ил.High-voltage key device relates to the field of designing high-voltage power semiconductor switches and modules and can be used in circuits and devices of power electronics of medium and high voltage levels. The device contains a first power terminal [1], a second power terminal [2], a third control terminal [3], (N-1) additional power terminals [4], [5] and [6], a rack [7] of N in series connected keys with field control [8], [9], [10] and [11], a rack [12] of (N-1) fixing diodes [13], [14] and [15], the control n-channel MOS transistor [16]. The drain of the first field switch [8] is connected to the first power terminal [1], the source of the Nth field switch [11] is connected to the drain of the control MOS transistor [16], while the source of the control MOS transistor [16] is connected to the second power output [2], and the gate of the control MOS transistor [16] is connected to the third control terminal [3]. To the gate of each of the (N-1) field keys [8], [9] and [10] in the rack of series-connected keys with field control [7], the anode of the corresponding diode [13], [14] and [15] of the rack [ 12] from (N-1) fixing diodes, while the cathode of the corresponding diode [13], [14] and [15] from the rack (N-1) of fixing diodes [12] is connected to the corresponding additional power terminal [4], [ 5] and [6]. The device is equipped with a stand [17] of (N-1) forcing capacitors connected in series, the first lining of each of (N-1) forcing capacitors [18], [19] and [20] is connected to the gate of the corresponding field key [8], [ 9] and [10] from the rack [7] of serially connected field-controlled keys, the second lining of the (N-1) th forcing capacitor [20] and the gate of the N-th field key [11] connected to the source of the control n- channel MOS transistor [16]. 4 ill.

Description

Полезная модель относится к области конструирования высоковольтных силовых полупроводниковых ключей и модулей и может быть использована в схемах и устройствах энергетической электроники среднего и высокого уровня напряжения.The utility model relates to the field of designing high-voltage power semiconductor switches and modules and can be used in circuits and devices of power electronics of medium and high voltage levels.

Известно ключевое устройство, в котором высоковольтный ключ с полевым управлением коммутируется включенным последовательно с ним низковольтным МОП-транзистором (патент США 6633195 В2, 14.10.2003, МПК Н03K 17/687).A key device is known in which a field-controlled high-voltage switch is switched by a low-voltage MOS transistor connected in series with it (US Pat. No. 6,633,195 B2, 10/14/2003, IPC H03K 17/687).

Недостаток данного устройства заключается в том, что его выходное напряжение ограничено максимальным напряжением единичного высоковольтного ключа, и данные устройства не могут быть непосредственно использованы в преобразователях среднего и высокого уровня напряжения.The disadvantage of this device is that its output voltage is limited to the maximum voltage of a single high-voltage switch, and these devices cannot be directly used in converters of medium and high voltage levels.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является высоковольтное ключевое устройство, имеющее первый силовой вывод, второй силовой вывод, третий управляющий вывод и (N-1) дополнительных силовых выводов и содержащее стойку из N последовательно соединенных ключей с полевым управлением, стойку из (N-1) фиксирующих диодов, управляющий n-канальный МОП-транзистор, соединенных между собой таким образом, что сток первого полевого ключа подключен к первому силовому выводу, исток N-го полевого ключа соединен со стоком управляющего МОП-транзистора, при этом исток управляющего МОП-транзистора подключен ко второму силовому выводу, а затвор управляющего МОП-транзистора подключен к третьему управляющему выводу, к затвору каждого из (N-1) полевых ключей в стойке последовательно соединенных ключей с полевым управлением присоединен анод соответствующего диода из стойки (N-1) фиксирующих диодов, при этом катод соответствующего диода из стойки (N-1) фиксирующих диодов присоединен к соответствующему дополнительному силовому выводу (патент РФ 152692 U1, 25.11.2014, МПК - Н03K 17/73).The closest in technical essence to the claimed utility model is a high-voltage key device having a first power terminal, a second power terminal, a third control terminal and (N-1) additional power terminals and containing a rack of N series-connected keys with field control, a rack of ( N-1) of fixing diodes, the control n-channel MOS transistor, interconnected in such a way that the drain of the first field key is connected to the first power output, the source of the N-th field key is connected to the drain of the control MOS transistor, while the source of the MOS transistor is connected to the second power terminal, and the gate of the MOS transistor is connected to the third control terminal, to the gate of each of the (N-1) field keys in the rack of series-connected keys with field control the anode of the corresponding diode from the rack (N-1) of the fixing diodes, while the cathode of the corresponding diode from the rack (N-1) of the fixing diodes is connected to the corresponding additional power output (RF patent 152692 U1, 11.25.2014, IPC - H03K 17/73) .

Недостатком данного решения является то, что для разряда входных емкостей N последовательно соединенных ключей с полевым управлением используется дополнительная стойка из (N-1) последовательно соединенных диодов, что существенно увеличивает количество полупроводниковых элементов устройства. Вторым недостатком данного решения является неполный разряд входных емкостей N последовательно соединенных ключей с полевым управлением из-за конечной величины прямого напряжения на разрядных диодах, что ухудшает динамику переходного процесса включения устройства и повышает мощность коммутационных потерь. Третьим недостатком данного решения является отсутствие возможности его применения в устройствах в качестве ключевого элемента верхнего уровня, поскольку в схеме прототипа принципиально невозможно изменять направление подключения фиксирующих диодов.The disadvantage of this solution is that to discharge the input capacitances of N series-connected keys with field control, an additional rack of (N-1) series-connected diodes is used, which significantly increases the number of semiconductor elements of the device. The second disadvantage of this solution is the incomplete discharge of the input capacitances of N series-connected keys with field control due to the finite forward voltage on the discharge diodes, which impairs the dynamics of the transient switching on of the device and increases the power of switching losses. The third disadvantage of this solution is the lack of the possibility of its use in devices as a key element of the upper level, since in the prototype circuit it is fundamentally impossible to change the direction of connection of the fixing diodes.

Технической задачей предлагаемого устройства является расширение его функциональных возможностей по применению в качестве ключевого элемента как нижнего, так и верхнего уровня.The technical task of the proposed device is the expansion of its functionality for use as a key element of both the lower and upper levels.

Технический результат предлагаемого устройства заключается в повышении эффективности работы за счет увеличения скорости переключения и снижения динамических и статических потерь мощности.The technical result of the proposed device is to increase operating efficiency by increasing the switching speed and reducing dynamic and static power losses.

Технический результат достигается тем, что известное высоковольтное ключевое устройство содержит первый силовой вывод, второй силовой вывод, третий управляющий вывод и (N-1) дополнительных силовых выводов и стойку из N последовательно соединенных ключей с полевым управлением, стойку из (N-1) фиксирующих диодов, управляющий n-канальный МОП-транзистор, соединенные между собой таким образом, что сток первого полевого ключа подключен к первому силовому выводу, исток N-го полевого ключа соединен со стоком управляющего МОП-транзистора, при этом исток управляющего МОП-транзистора подключен ко второму силовому выводу, а затвор управляющего МОП-транзистора подключен к третьему управляющему выводу, к затвору каждого из (N-1) полевых ключей в стойке последовательно соединенных ключей с полевым управлением присоединен анод соответствующего диода из стойки (N-1) фиксирующих диодов, при этом катод соответствующего диода из стойки (N-1) фиксирующих диодов присоединен к соответствующему дополнительному силовому выводу, снабжено стойкой из (N-1) последовательно соединенных форсирующих конденсаторов, первая обкладка каждого из (N-1) форсирующих конденсаторов подключена к затвору соответствующего полевого ключа из стойки последовательно соединенных ключей с полевым управлением, при этом вторая обкладка (N-1) - го форсирующего конденсатора и затвор N-го полевого ключа соединены с истоком управляющего n-канального МОП-транзистора.The technical result is achieved by the fact that the known high-voltage key device contains a first power terminal, a second power terminal, a third control terminal and (N-1) additional power terminals and a rack of N field-connected keys with field control, a rack of (N-1) locking diodes, the control n-channel MOS transistor, interconnected so that the drain of the first field key is connected to the first power output, the source of the N-th field key is connected to the drain of the control MOS transistor the current of the MOS transistor is connected to the second power terminal, and the gate of the MOS transistor is connected to the third control terminal, an anode of the corresponding diode from the rack is connected to the gate of each of the (N-1) field keys in the rack of field-connected keys (N -1) fixing diodes, while the cathode of the corresponding diode from the rack (N-1) of the fixing diodes is connected to the corresponding additional power terminal, equipped with a rack of (N-1) series-connected boost condensers Ators, the first plate of each of the (N-1) boost capacitors is connected to the gate of the corresponding field key from the rack of series-connected keys with field control, while the second plate of the (N-1) th boost capacitor and the gate of the N-th field key are connected to source control n-channel MOS transistor.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на Фиг. 1. представлено высоковольтное ключевое устройство, на Фиг. 2. представлена схема с нижним уровнем подключения высоковольтного ключевого устройства к цепи источника питания и нагрузки.The essence of the utility model is illustrated by drawings, where in FIG. 1. presents a high-voltage key device, FIG. 2. A diagram is presented with a lower level of connecting a high-voltage key device to the power supply and load circuits.

На Фиг. 3. показана схема с верхним уровнем подключения высоковольтного ключевого устройства к цепи источника питания и нагрузки.In FIG. 3. shows a diagram with the upper level connecting the high-voltage key device to the power supply and load circuits.

На Фиг. 4. представлена схема полумоста с нижним и верхним уровнями подключения высоковольтного ключевого устройства к цепи источника питания и нагрузки.In FIG. 4. The scheme of a half-bridge with lower and upper levels of connecting a high-voltage key device to the power supply and load circuits is presented.

Высоковольтное ключевое устройство содержит первый силовой вывод 1, второй силовой вывод 2, третий управляющий вывод 3, (N-1) дополнительных силовых выводов 4, 5 и 6, стойку 7 из N последовательно соединенных ключей с полевым управлением 8, 9, 10 и 11, стойку 12 из (N-1) фиксирующих диодов 13, 14 и 15, управляющий n-канальный МОП-транзистор 16. Сток первого полевого ключа 8 подключен к первому силовому выводу 1, исток N-го полевого ключа 11 соединен со стоком управляющего МОП-транзистора 16, при этом исток управляющего МОП-транзистора 16 подключен ко второму силовому выводу 2, а затвор управляющего МОП-транзистора 16 подключен к третьему управляющему выводу 3. К затвору каждого из (N-1) полевых ключей 8, 9 и 10 в стойке последовательно соединенных ключей с полевым управлением 7 присоединен анод соответствующего диода 13, 14 и 15 стойки 12 из (N-1) фиксирующих диодов, при этом катод соответствующего диода 13, 14 и 15 из стойки (N-1) фиксирующих диодов 12 присоединен к соответствующему дополнительному силовому выводу 4, 5 и 6. Устройство снабжено стойкой 17 из (N-1) последовательно соединенных форсирующих конденсаторов, первая обкладка каждого из (N-1) форсирующих конденсаторов 18, 19 и 20 подключена к затвору соответствующего полевого ключа 8, 9 и 10 из стойки 7 последовательно соединенных ключей с полевым управлением, при этом вторая обкладка (N-1) - го форсирующего конденсатора 20 и затвор N-го полевого ключа 11 соединены с истоком управляющего n-канального МОП-транзистора 16.The high-voltage key device contains a first power terminal 1, a second power terminal 2, a third control terminal 3, (N-1) additional power terminals 4, 5 and 6, a rack 7 of N series-connected keys with field control 8, 9, 10 and 11 , a rack 12 of (N-1) fixing diodes 13, 14 and 15, a control n-channel MOS transistor 16. The drain of the first field key 8 is connected to the first power terminal 1, the source of the Nth field key 11 is connected to the drain of the control MOS transistor 16, while the source of the control MOS transistor 16 is connected to the second power terminal 2, and the gate of the control MOS transistor 16 is connected to the third control terminal 3. To the gate of each of the (N-1) field keys 8, 9 and 10 in the rack of series-connected keys with field control 7, an anode of the corresponding diode 13, 14 is connected and 15 racks 12 of (N-1) fixing diodes, while the cathode of the corresponding diode 13, 14 and 15 of the rack (N-1) of fixing diodes 12 is connected to the corresponding additional power output 4, 5 and 6. The device is equipped with a rack 17 of ( N-1) series-connected boost capacitors, the first about the laying of each of the (N-1) boost capacitors 18, 19 and 20 is connected to the gate of the corresponding field key 8, 9 and 10 from the rack 7 of series-connected keys with field control, while the second lining of the (N-1) th boost capacitor 20 and the gate of the N-th field key 11 is connected to the source of the control n-channel MOS transistor 16.

На Фиг. 2 первый силовой вывод 1 устройства соединен с нагрузкой Н, а второй силовой вывод 2 устройства соединен с общей шиной. Фиксирующие диоды 13, 14 и 15 в стойке 12 в данной схеме подключены к дополнительным силовым выводам 4, 5 и 6 устройства катодами.In FIG. 2, the first power terminal 1 of the device is connected to the load H, and the second power terminal 2 of the device is connected to a common bus. The fixing diodes 13, 14 and 15 in the rack 12 in this circuit are connected to additional power terminals 4, 5 and 6 of the device by cathodes.

Параллельно источнику питания Е подключена стойка из N последовательно соединенных фильтровых конденсаторов C1, С2, С3, CN.Parallel to the power supply E, a rack of N series-connected filter capacitors C1, C2, C3, C N is connected.

Точки соединения фильтровых конденсаторов С1, С2, С3, CN подключены к (N-1) дополнительным силовым выводам 4, 5 и 6 устройства.The connection points of the filter capacitors C1, C2, C3, C N are connected to (N-1) additional power terminals 4, 5 and 6 of the device.

На Фиг. 3 первый силовой вывод 1 устройства непосредственно соединен с положительным полюсом источника питания Е, а второй силовой вывод 2 устройства соединен с заземленной нагрузкой Н. Фиксирующие диоды 13, 14 и 15 в стойке 12 подключены к дополнительным силовым выводам 4, 5 и 6 устройства анодами.In FIG. 3, the first power terminal 1 of the device is directly connected to the positive pole of the power source E, and the second power terminal 2 of the device is connected to a grounded load N. The fixing diodes 13, 14 and 15 in the rack 12 are connected to the additional power terminals 4, 5 and 6 of the device by anodes.

Параллельно источнику питания Е подключена стойка из N последовательно соединенных фильтровых конденсаторов C1, С2, С3, CN.Parallel to the power supply E, a rack of N series-connected filter capacitors C1, C2, C3, C N is connected.

Точки соединения фильтровых конденсаторов C1, С2, С3, CN подключены к (N-1) дополнительным силовым выводам 4, 5 и 6 устройства.The connection points of the filter capacitors C1, C2, C3, C N are connected to (N-1) additional power terminals 4, 5 and 6 of the device.

В схеме полумоста высоковольтное ключевое устройство верхнего уровня первым силовым выводом подключено к положительной шине источника питания Е, а высоковольтное ключевое устройство нижнего уровня вторым силовым выводом 2 подключено к отрицательной шине источника питания Е. Параллельно источнику питания Е подключена стойка из N последовательно соединенных фильтровых конденсаторов C1, С2, С3, CN.In the half-bridge circuit, the high-voltage key device of the upper level with the first power output is connected to the positive bus of the power supply E, and the high-voltage key device of the lower level with the second power output 2 is connected to the negative bus of the power supply E. In parallel to the power supply E, a rack of N series connected filter capacitors C1 is connected , C2, C3, C N.

Точки соединения фильтровых конденсаторов C1, С2, С3, CN подключены к (N-1) дополнительным силовым выводам 4, 5 и 6 устройства как с верхним, так и с нижнем уровнем подключения.The connection points of the filter capacitors C1, C2, C3, C N are connected to (N-1) additional power terminals 4, 5 and 6 of the device with both the upper and the lower connection level.

Нагрузка Н подключена между точкой соединения верхнего (второй силовой вывод 2), и нижнего (первый силовой вывод 1) силового устройства и средней точкой стойки фильтровых конденсаторов C1, С2, С3, CN, являющейся общей точкой.The load N is connected between the connection point of the upper (second power output 2), and the lower (first power output 1) power device and the midpoint of the filter capacitors C1, C2, C3, C N , which is a common point.

Рассмотрим работу заявляемого устройства на примере схемы с верхним уровнем подключения высоковольтного ключевого устройства к цепи источника питания и нагрузки (Фиг. 3).Consider the operation of the inventive device on the example of a circuit with the upper level of connecting a high-voltage key device to the power supply and load circuits (Fig. 3).

Устройство является асимметричным ключом и обеспечивает пропускание тока и регулирование мощности в нагрузке Н при положительном потенциале на первом силовом выводе 1 (сток устройства) относительно второго силового вывода 2 (исток устройства), т.е. при условииThe device is an asymmetric key and provides current transmission and power regulation in the load N with a positive potential at the first power terminal 1 (device drain) relative to the second power terminal 2 (device source), i.e. provided

Figure 00000001
,
Figure 00000001
,

где UСИ - выходное напряжение сток-исток устройства между силовыми выводами устройства 1 и 2.where U SI is the output voltage of the drain-source device between the power terminals of the device 1 and 2.

Блокированное состояние устройства реализуется при нулевом управляющем сигнале на третьем управляющем выводе 3, соединенном с затвором управляющего МОП-транзистора 16.The locked state of the device is realized when the control signal is zero at the third control terminal 3 connected to the gate of the control MOS transistor 16.

Обозначим внешнее напряжение, приложенное к заявляемому устройству и включенной последовательно с ним нагрузке Н, символом Е. При закрытом устройстве:Denote the external voltage applied to the inventive device and connected in series with the load H, the symbol E. When the device is closed:

Figure 00000002
,
Figure 00000002
,

где UDS8, UDS9, UDS10, UDS11 - напряжение сток-исток на соответствующих полевых ключах 8, 9, 10, 11 в стойке 7;where U DS8 , U DS9 , U DS10 , U DS11 is the drain-source voltage at the corresponding field switches 8, 9, 10, 11 in rack 7;

UDS16 - напряжение сток-исток на управляющем МОП-транзисторе 16.U DS16 - drain-source voltage at the control MOS transistor 16.

Значения напряжений UDS8, UDS9, UDS10,UDS11, UDS16 на ключевых элементах закрытого устройства будут определены ниже.The voltage values of U DS8 , U DS9 , U DS10 , U DS11 , U DS16 on the key elements of a closed device will be determined below.

Включение устройства производится подачей положительного импульса напряжения на третий управляющий вывод 3. При этом происходит заряд входной емкости управляющего МОП-транзистора 16, что обеспечивает его включение.The device is turned on by applying a positive voltage pulse to the third control terminal 3. In this case, the input capacitance of the control MOS transistor 16 is charged, which ensures its inclusion.

Через канал открытого управляющего МОП-транзистора 16 происходит разряд входной емкости полевого ключа 11. При уменьшении напряжения на входной емкости полевого ключа 11 до напряжения отсечки V0 происходит его отпирание.Through the channel of the open control MOS transistor 16, the input capacitance of the field key 11 is discharged. When the voltage at the input capacitance of the field key 11 decreases to the cut-off voltage V 0 , it is unlocked.

Далее, через канал открытого управляющего МОП-транзистора 16, канал открытого полевого ключа 11 и форсирующий конденсатор 20 происходит разряд входной емкости полевого ключа 10. При уменьшении напряжения на входной емкости полевого ключа 10 до напряжения отсечки V0 происходит его отпирание. И так далее для всех остальных полевых ключей 9 и 8 в стойке 7.Further, through the channel of the open control MOS transistor 16, the channel of the open field key 11 and the boost capacitor 20, the input capacitance of the field key 10 is discharged. When the voltage at the input capacitance of the field key 10 decreases to the cutoff voltage V 0 , it is unlocked. And so on for all other field keys 9 and 8 in rack 7.

Поскольку форсирующие конденсаторы 18, 19 и 20 в стойке 17 предварительно заряжены до начального напряжения E/N, они обеспечивают форсированный перезаряд входных емкостей соответствующих транзисторов 8, 9 и 10. В свою очередь, это повышает скорость переключения устройства и снижает мощность динамических потерь. После разряда входных емкостей транзисторов 8, 9 и 10, остаточный заряд от форсирующих конденсаторов 18, 19 и 20 поступает также в дрейфовую область транзисторов 8, 9 и 10, что обеспечивает дополнительную модуляцию сопротивления дрейфовой области и снижение статических потерь мощности.Since the boost capacitors 18, 19 and 20 in the rack 17 are pre-charged to the initial voltage E / N, they provide forced recharging of the input capacitance of the corresponding transistors 8, 9 and 10. In turn, this increases the switching speed of the device and reduces the power of dynamic losses. After the input capacitors of the transistors 8, 9, and 10 are discharged, the residual charge from the boost capacitors 18, 19, and 20 also enters the drift region of the transistors 8, 9, and 10, which provides additional modulation of the resistance of the drift region and a decrease in static power losses.

По окончании переходного процесса включения на устройстве установится прямое напряжение:At the end of the transient switching process, a direct voltage will be established on the device:

Figure 00000003
,
Figure 00000003
,

где U(on)8, U(on)9, U(on)10, U(on)11 - падение напряжения на открытых полевых ключах 8, 9, 10, 11;where U (on) 8 , U (on) 9 , U (on) 10 , U (on) 11 is the voltage drop across the open field switches 8, 9, 10, 11;

RDS(on)16 - сопротивление открытого канала сток-исток управляющего МОП-транзистора 16;R DS (on) 16 - resistance of the open channel drain-source control MOS transistor 16;

IC - ток стока силового устройства в открытом состоянии, равный току нагрузки.I C - drain current of the power device in the open state, equal to the load current.

Выключение устройства производится переключением напряжения на управляющем выводе 3 до нулевого значения. При этом происходит разряд входной емкости управляющего МОП-транзистора 16, после чего данный транзистор 16 запирается.The device is turned off by switching the voltage at the control terminal 3 to zero. When this occurs, the input capacitance of the control MOS transistor 16 is discharged, after which this transistor 16 is locked.

Потенциалы стоков полевых ключей 10 и 9 при этом начинают расти, за исключением потенциала стока ключа 8, который фиксирован на уровне источника питания Е. Поскольку начальные напряжения на форсирующих конденсаторах 18, 19, 20 перед выключением устройства равны нулю, в цепи затвор-исток полевых ключей в стойке 7 образуются отрицательные напряжения. Наиболее быстро нарастает отрицательное напряжение самого верхнего ключа 8 в стойке 7. При увеличении данного напряжения до уровня напряжения отсечки V0 происходит запирание полевого ключа 8, при этом в цепи его затвора образуется мощный импульс обратного тока, величина которого пропорциональна току нагрузки.The drain potentials of field keys 10 and 9 at the same time begin to grow, with the exception of the drain potential of key 8, which is fixed at the level of power source E. Since the initial voltages at the boost capacitors 18, 19, 20 are zero before turning off the device, the gate-source field keys in the rack 7 negative voltages are formed. The negative voltage of the uppermost switch 8 in the rack 7 increases most rapidly. When this voltage is increased to the cut-off voltage V 0 , the field switch 8 is locked, and a powerful reverse current pulse is generated in its gate circuit, the magnitude of which is proportional to the load current.

На практике чаще всего устройство работает на активно-индуктивную нагрузку в режиме непрерывного тока. Поскольку полевой ключ 8 запирается, ток нагрузки начинает протекать через форсирующий конденсатор 18, обеспечивая его заряд практически по линейному закону. Ток нагрузки по величине всегда больше, чем амплитуда импульса обратного тока, возникающего в цепи затвора полевого ключа 8. При этом диод 13 на время заряда форсирующего конденсатора 18 будет находиться в открытом состоянии, обеспечивая фиксацию потенциала затвора полевого ключа 8 на уровне (N-1)E/N, тем самым, фиксируя выходное напряжение ключа 8 на уровне:In practice, most often the device operates on an active-inductive load in continuous current mode. Since the field switch 8 is locked, the load current begins to flow through the boost capacitor 18, ensuring its charge is almost linear in law. The load current is always larger in magnitude than the amplitude of the reverse current pulse arising in the gate circuit of the field key 8. At the same time, the diode 13 will be in the open state for the charging time of the boost capacitor 18, ensuring that the gate potential of the field key 8 is fixed at (N-1 ) E / N, thereby fixing the output voltage of key 8 at the level of:

Figure 00000004
.
Figure 00000004
.

По аналогичному механизму происходит последовательное во времени запирание всех других ключей 9, 10 и 11 с полевым управлением в стойке 7. После запирания последнего полевого ключа 11 устройство переходит в блокированное состояние. При этом к выходной цепи сток-исток устройства прикладывается полное напряжение внешнего источника Е, равномерно распределенное между N полевыми ключами 8, 9, 10, 11 в стойке 7 на уровне E/N.According to a similar mechanism, all other field-controlled keys 9, 10 and 11 are sequentially locked in a rack 7. After locking the last field key 11, the device goes into a locked state. In this case, the total voltage of the external source E, evenly distributed between N field keys 8, 9, 10, 11 in rack 7 at the E / N level, is applied to the output source-source circuit of the device.

Потенциал стока закрытого МОП-транзистора 16 при запирании устройства максимально увеличивается до уровня напряжения отсечки V0 полевого ключа 11, при этом выходное напряжение на закрытом МОП-транзисторе 16 устанавливается равным:The drain potential of the closed MOS transistor 16 when the device is locked is maximized to the cut-off voltage level V 0 of the field switch 11, while the output voltage on the closed MOS transistor 16 is set equal to:

Figure 00000005
.
Figure 00000005
.

Условием работоспособности устройства является требование, чтобы время заряда форсирующих конденсаторов 18, 19 и 20 в стойке 17 током нагрузки Iн до напряжения E/N было больше, чем время Δt протекания импульса обратного тока в цепи затворов соответствующих полевых ключей 8, 9 и 10 в стойке 7. Данное условие обеспечивается выбором соответствующей величины емкости С0 форсирующих конденсаторов 18, 19 и 20 в стойке 17:A condition for the operability of the device is the requirement that the charging time of the boosting capacitors 18, 19 and 20 in the rack 17 by the load current In to voltage E / N be longer than the time Δt of the reverse current pulse flowing in the gate circuit of the corresponding field switches 8, 9 and 10 in the rack 7. This condition is ensured by the selection of the corresponding capacitance value C 0 forcing capacitors 18, 19 and 20 in the rack 17:

Figure 00000006
Figure 00000006

Примеры конкретного исполнения предложенного устройства.Examples of specific performance of the proposed device.

На Фиг. 2 представлена схема с нижним уровнем подключения высоковольтного ключевого устройства к цепи источника питания Е и нагрузки Н. В данной схеме силовой вывод 1 устройства соединен с нагрузкой Н, а второй силовой вывод 2 устройства соединен с общей шиной. Фиксирующие диоды 13, 14 и 15 в стойке 12 в схеме нижнего ключа подключены к дополнительным силовым выводам 4, 5 и 6 устройства катодами. При заземленном истоке устройства (силовой вывод 2) данное подключение фиксирующих диодов обеспечивает фиксацию положительных потенциалов затворов ключей с полевым управлением в стойке 7, относительно отрицательной шины источника питания Е.In FIG. 2 shows a circuit with a lower level of connecting a high-voltage key device to the power supply circuit E and load N. In this scheme, the power output 1 of the device is connected to the load H, and the second power output 2 of the device is connected to a common bus. The fixing diodes 13, 14 and 15 in the rack 12 in the lower key circuit are connected to additional power terminals 4, 5 and 6 of the device by cathodes. When the source of the device is grounded (power terminal 2), this connection of the fixing diodes ensures the fixation of the positive potentials of the field-controlled key gates in the rack 7, relative to the negative bus of the power supply E.

На Фиг. 3 показана схема с верхним уровнем подключения высоковольтного ключевого устройства к цепи источника питания Е и нагрузки Н. В данной схеме первый силовой вывод 1 устройства непосредственно соединен с положительной шиной источника питания Е, а второй силовой вывод 2 устройства соединен с заземленной нагрузкой Н. При фиксированном потенциале первого силового вывода устройства фиксирующие диоды подключены к дополнительным силовым выводам 4, 5 и 6 устройства анодами, поскольку такое подключение обеспечивает фиксацию отрицательных потенциалов затворов ключей с полевым управлением в стойке 7, относительно положительной шины источника питания Е.In FIG. Figure 3 shows the circuit with the upper level connecting the high-voltage key device to the power supply circuit E and load N. In this circuit, the first power output 1 of the device is directly connected to the positive bus of the power supply E, and the second power output 2 of the device is connected to the grounded load N. With a fixed the potential of the first power output of the device, the fixing diodes are connected to additional power terminals 4, 5 and 6 of the device by the anodes, since such a connection ensures the fixation of negative potential catching gate closures with field control in rack 7, relative to the positive bus of power source E.

На Фиг. 4. представлен полумост, содержащий два высоковольтных ключевых устройства: один нижнего, а другой - верхнего уровня подключения к цепи источника питания и нагрузки. Данное подключение обеспечивает работу схемы при переменном токе в нагрузке Н.In FIG. 4. A half-bridge is presented, containing two high-voltage key devices: one at the bottom and the other at the top level of connection to the power supply and load circuits. This connection ensures the operation of the circuit with alternating current in load N.

Использование изобретения обеспечивает расширение функциональных возможностей по применению высоковольтного устройства в качестве ключевого элемента нижнего, так и верхнего уровня подключения, а также повышает эффективность работы устройства, за счет увеличения скорости переключения и снижения динамических и статических потерь мощности его ключевых элементов.The use of the invention provides enhanced functionality for the use of a high-voltage device as a key element of the lower and upper connection level, and also increases the efficiency of the device by increasing the switching speed and reducing dynamic and static power losses of its key elements.

Claims (1)

Высоковольтное ключевое устройство, содержащее первый силовой вывод, второй силовой вывод, третий управляющий вывод и (N-1) дополнительных силовых выводов, стойку из N последовательно соединенных ключей с полевым управлением, стойку из (N-1) фиксирующих диодов, управляющий n-канальный МОП-транзистор, соединенные между собой таким образом, что сток первого полевого ключа подключен к первому силовому выводу, исток N-го полевого ключа соединен со стоком управляющего МОП-транзистора, при этом исток управляющего МОП-транзистора подключен ко второму силовому выводу, а затвор управляющего МОП-транзистора подключен к третьему управляющему выводу, к затвору каждого из (N-1) полевых ключей в стойке последовательно соединенных ключей с полевым управлением присоединен анод соответствующего диода из стойки (N-1) фиксирующих диодов, при этом катод соответствующего диода из стойки (N-1) фиксирующих диодов присоединен к соответствующему дополнительному силовому выводу, отличающееся тем, что снабжено стойкой из (N-1) последовательно соединенных форсирующих конденсаторов, первая обкладка каждого из (N-1) форсирующих конденсаторов подключена к затвору соответствующего полевого ключа из стойки последовательно соединенных ключей с полевым управлением, при этом вторая обкладка (N-1)-го форсирующего конденсатора и затвор N-го полевого ключа соединены с истоком управляющего n-канального МОП-транзистора.A high-voltage key device containing a first power terminal, a second power terminal, a third control terminal and (N-1) additional power terminals, a rack of N field-connected keys in series, a rack of (N-1) fixing diodes, an n-channel control MOS transistors interconnected in such a way that the drain of the first field key is connected to the first power terminal, the source of the Nth field key is connected to the drain of the control MOS transistor, while the source of the control MOS transistor is connected to the second power output, and the gate of the control MOS transistor is connected to the third control terminal, the anode of the corresponding diode from the rack (N-1) of the fixing diodes is attached to the gate of each of the (N-1) field keys in the rack of series-connected keys with field control, when this cathode of the corresponding diode from the rack (N-1) of the fixing diodes is connected to the corresponding additional power output, characterized in that it is equipped with a rack of (N-1) series-connected boost capacitors, the first lining of each about from (N-1) forcing capacitors is connected to the gate of the corresponding field key from the rack of series-connected keys with field control, while the second cover of the (N-1) -th forcing capacitor and the gate of the N-th field key are connected to the source of the control n- channel MOS transistor.
RU2016142292U 2016-10-27 2016-10-27 High voltage key device RU168443U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016142292U RU168443U1 (en) 2016-10-27 2016-10-27 High voltage key device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016142292U RU168443U1 (en) 2016-10-27 2016-10-27 High voltage key device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU168443U1 true RU168443U1 (en) 2017-02-02

Family

ID=58451097

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016142292U RU168443U1 (en) 2016-10-27 2016-10-27 High voltage key device

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU168443U1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2231903C2 (en) * 2002-09-24 2004-06-27 Мустафа Георгий Маркович High-level voltage converter
RU2315387C1 (en) * 2006-05-05 2008-01-20 Виктор Иванович Казанцев High-voltage power supply system (alternatives) and relevant electronic switch
US20110297964A1 (en) * 2010-06-03 2011-12-08 Rohm Co., Ltd. Ac switch
RU152692U1 (en) * 2014-11-25 2015-06-10 Открытое акционерное общество "Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского" HIGH VOLTAGE POWER SEMICONDUCTOR DEVICE

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2231903C2 (en) * 2002-09-24 2004-06-27 Мустафа Георгий Маркович High-level voltage converter
RU2315387C1 (en) * 2006-05-05 2008-01-20 Виктор Иванович Казанцев High-voltage power supply system (alternatives) and relevant electronic switch
US20110297964A1 (en) * 2010-06-03 2011-12-08 Rohm Co., Ltd. Ac switch
RU152692U1 (en) * 2014-11-25 2015-06-10 Открытое акционерное общество "Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского" HIGH VOLTAGE POWER SEMICONDUCTOR DEVICE

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20150084611A1 (en) Boost converter with reduced switching loss and methods of operating the same
JP5733330B2 (en) Driving circuit
US9806616B2 (en) Control circuit for multiple high side switches
CN112567612B (en) Driving circuit of switching element and switching circuit
US11482918B2 (en) Gate drive circuit
US11011970B2 (en) Gate drive circuit
US20220255429A1 (en) Voltage converter
EP3382881A1 (en) Equivalent transistor and three-level inverter
CN112585854B (en) Driving circuit of switching element and switching circuit
TW201417276A (en) Composite semiconductor device
JP6303060B1 (en) Gate drive circuit
RU168443U1 (en) High voltage key device
WO2015175012A1 (en) Method and circuitry for sensing and controlling a current
US20220407406A1 (en) High speed driver for high frequency dcdc converter
JP6185032B2 (en) Semiconductor device and inverter, converter and power conversion device using the same
TW201531001A (en) Circuits and methods for operating a switching regulator
RU152692U1 (en) HIGH VOLTAGE POWER SEMICONDUCTOR DEVICE
RU177625U1 (en) HIGH VOLTAGE KEY DEVICE BASE
US9473018B2 (en) High efficiency voltage level multiplier
Parashar et al. A gate driver for synchronous buck converter with normally on semiconductor switches
JP5892772B2 (en) Semiconductor device and inverter, converter and power conversion device using the same
JP5757184B2 (en) Gate drive circuit
SU1307542A1 (en) Generator of voltage changing with respect to linear law
US9775251B2 (en) DC/DC converter control circuit including a plurality of series-connected transistors and a capacitive element coupling nodes of the plurality of series connected transistors
JP2017073742A (en) Level shift circuit, semiconductor device, and battery monitoring device