SK31196A3 - A.c. controller - Google Patents

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka striadaôa, ktorý pracuje najmenej s dvomi antisériovými polovodičovými oblasťami. Polovodičové oblasti, ktoré sú vždy vybavené vysielačom elektrónov (Source, emitor), kolektorom elektrónov (Drain) a elektródou riadiacou tok elektrónov (Gate), majú rovnaké charakteristiky ako FETs (field effect tranzistors) to je tranzistory riadené poľom. Podľa súčasného stavu znalostí majú v inverznej prevádzke technologicky viazanú vnútornú Body diódu.

Doterajší stav techniky

S dvomi antisériovými tranzistormi riadenými poľom, ďalej FETs, pracuje známy výkonový spínač (WO 93/11608), pri ktorom je elektricky paralelne k polovodičovému prvku s dvomi antisériovými FETs umiestnený vybavovací člen stavebného prvku, pôsobiaceho ako relé, ktoré prostredníctvom rozpojovacích kontaktov môže prerušiť chránené vedenie. Polovodičový prvok je tam nastavený tak, že jeho vnútorný odpor, pri určitom riadiacom napätí na riadiacej elektróde a pracovnom napätí na pracovných elektródach, zapojených v priechodnom smere vo vedení, má nízku hodnotu a jeho vnútorný odpor sa so stúpajúcim napätím na pracovných elektródach skokovo zvýši. Pri zvýšení vnútorného odporu sa objaví napätie na paralelne umiestnenom vybavovacom člene, ktoré vedie k vybaveniu.

'?·- ywjí.

Elektrické zariadenia sa rnusia na sieť, pripojiť, prípadne od siete odpojiť. Pri mechanických spínačoch sú optimálne riešenia také, ktoré v praxi vyhovujú technickým požiadavkám, napríklad pri pohonoch, motorových ochranných spínačoch pokiaľ sa týka preťaženia alebo ochrany proti skratom. Pri ochranných spínacích prístrojoch všeobecne, ku ktorým náležia výkonové spínače, motorové ochranné spínače alebo ochranné spínače vedenia, .je žiadúce, aby sa vyskytujúce sa nadprúdy rýchlo identifikovali, najmä skratové prúdy a obmedzili na malú hodnotu a konečne rýchlo odpojili. Nevýhodou mechanických ochranných spínacích prístrojov je opotrebenie kontaktov, častá údržba, pomerne dlhé spínacie doby v prípade skratu a pomerne malá časová presnosť určitého okamžiku spínania.

Polovodičové spínače oproti tomu môžu pracovať bez opotrebovania a rýchlo spínať. Majú malé spínacie straty a dajú sa meniteľne riadiť.

vodičových spínačoch oproti tomu vysoká priestorová náročnosť a pomerne kové straty pri zopnutom stave.

Nevýhody pri polosú vysoké náklady, veľké prevádzVšeobecne vzaté je často žiadúce, obmedziť striedavé prúdy rýchlo na určité hodnoty, takže nadprúdy sa stanú prijateľnými a tým sa získa čas na odpojenie. Polovodičové prvky sa môžu tiež prevádzkovať tak, že znižujú prúd až k odpojeniu.

Podstata vynálezu

Úlohou vynálezu je vyvinúť výhodný striedač polovodičovou technikou. Vynález pritom vychádza z poznatku, že vpredu popísané prístroje a prvky ako striedače sa môžu realizovať v najširšom slova zmysle.

Táto úloha je riešená podľa vynálezu striedačom, pri ktorom má prvá polovodičová oblasť, prevádzkovaná v priepustnom smere, Gate-Source-napätie, ktoré je stanovené tak, že stanoví obmedzenie prúdu striedača na dopredu uvedenú hodnotu a pritom Gate-Source-napätie druhej polovodičovej oblasti, ktorá pracuje v inverznej prevádzke a dopredu zadaná hodnota prúdu striedača, sú zvolené tak, že druhá polovodičová oblasť pri tomto prúde má taký pokles napätia, že jeho Body dióda je ešte bez prúdu,

Vynález teda spočíva na poznatku, že sa straty v priepustnom smere pri polovodičových prvkoch skladajú zo strát v spínacom prvku a zo strát často v sérii zapojených prídavných nulových diód. Pri striedači sa stávajú zvláštne nulové diódy zbytočnými, pretože bipolárne vodivostné mechanizmy a s tým spojené akumulačné náboje sa nevyskytujú. Nepotrebujú sa ani zvláštne voľné diódy, ani sa neprejaví Body dióda, podmienená pri výrobe polovodičovou technikou. Striedač teda pracuje s najmä nízkymi statickými a dynamickými stratami. Pod pojem statické straty sa zahrňujú straty v priechode prúdu a pod pojem dynamické straty sa zahrňujú straty pri prepínaní .

Ak sú polovodičové oblasti vytvorené z karbidu kremičitého (SiC) dostanú sa v poli charakteristických kriviek najmä veľké a priaznivé pracovné oblasti. Polovodičové oblasti sa môžu vytvoriť v mikrocipe, alebo tiež ako diskrétne FETs.

Prehľad obrázkov na výkrese

Vynález bude bližšie vystvetlený na príkladoch uskutočnenia znázornených velmi schématicky na výkrese .

Na obr. 1 je znázornený striedač.

Na obr. S je znázornený pre polovodičovú oblasť Drain-Source-prúd, Ids,Drain-Source-napätie, Uds, pre parametre s Gate-Source-napätím, Ugs, v blízkosti stredu osí pre dve antisériové oblasti.

Na obr. 3 je znázornené v inom merítku s použitím vyšších Drain-Source-napätiach poľa charakteristických kriviek pre Ids na ose poradí a pre los na ose úsečiek pre anisériovo zapojené polovodičové oblasti.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Striedač podľa obr. 1 pracuje s dvomi antisériovými polovodičovými oblasťami la S, ktoré sú v príklade uskutočnenia znázornené ako diskrétne FETs. Každá polovodičová oblasť má Source 3, Drain 4 a Gate 5. V priepustnom smere, napríklad na polovodičovej oblasti 1, je Gate-Source-napätie 6, Ugsi,nastavené také veľké, že sa nastaví žiadané obmedzenie prúdu Drain-Source. Gate-Source-napätie je pritom parametrom pre prúd obmedzujúcej krivky, ako sú znázornené v obr. 3.

Na polovodičovej oblasti v inverznej prevádzke, bud to v príklade uskutočnenia podľa obr. 1, polovodičová oblast 2, je Gate-Source-napätie 7, Ugs2 nastavené len také veľké, že Body dióda 8 je bez prúdu. Pri FET z karbidu kremičitého (SiC) je prahové napätie napríklad asi 2,8 V. Pri kremíku sú bežné prahové napätia asi 0,7 V. Gate-Source-napätie na polovodičovej oblasti 2 je potom potrebné nastaviť tak, že úbytok napätia na pracovnej dráhe je menší, ako prahové napätie Body diódy.

Polovodičové oblasti 1 a 2 môžu byť vytvorené z karbidu kramičitého (SiC), najmä v mikročipe. Polovodičové oblasti sa tiež môžu vytvoriť ako diskrétne FETs, najmä ako MOSFETs, (to je metal oxide semiconductor ŕield-effect tranzistor, alebo tiež MOSFET tranzistor) .

Pri striedači podľa obr. 1 stačí jedno riadenie Gate pre obidve polovodičové oblasti 1, 2 v obidvoch smeroch prúdu, ale na rôzne vysokom potenciále. Striedač nastaví prúd I pri privedenom napätí U v závislosti na Gate-Source napätí 6, 7 na požadovanú hodnotu poľa pracovnej charakteristiky.

Pri polovodičovej oblasti s charakteristikou, akú majú FETs, dostanú sa pri antiparalelnom zapojení polovodičových oblastí pri malých Drain-Source-napätiach charakteristiky podľa obr. 2. So stúpajúcim Gate-Source-napätím, Ugs, doliehajú charakteristické čiary ako paramatre počínajúc začiatkom stále silnejšie na priamku 9, Ron. V inom spôsobe úvahy, dosiahne sa pri vysokých Gate-Source-napätiach strmej charakte5 ristiky pre On-odpor, teda veľmi nízky On-odpor. Táto ako odpor interpretovaná charakteristika vykazuje lineárne, teda ohmické chovanie. Pri antisériovom zapojení prebiehajú charakteristiky a Ron v prvom a treťom kvadrante. Napríklad pri karbide kremičitom (SiG) je úbytok napätia spôsobený Ron, v priepustnom smere zreteľne nižší, ako je prahové napätie Body diódy.

Na obr. 3 je znázornené pole charakteristík na spôsob podľa obr. S až k vyšším Drain-Source-napätiam a parametrov s vyšším Gate-Source-napätím pri inom me- , ritku. Pre Gate-Source-napätie sa dostávajú charakteristiky obmedzujúce Drain-Source-prúd približne paralelne s osou úsečiek.Z dôvodu zjednodušenia je možné predpokladať, že sa použijú FETs obohateného typu (Enhancement) pre polovodičové oblasti, ktoré sú samouzatváracie a majú n-kanál. Tomu zodpovedá spôsob znázornenia v obr. 1. Body diódy 8 majú charakteristiku, ktorá sa kryje s charakteristikou ľ 1 v prvom a treťom kvadrante. Prevádzke na charakteristike 11 , ktorá znázorňuje, že Body dióda zapojená paralelne k pracovnej dráhe v zäverovom smere, sa stáva účinnou, sa dá zabrániť tým, že sa na polovodičovej oblasti v inverznej prevádzke nastaví Gate-Source-napät ie .Len také veľké, aby Body dióda bola ešte bez prúdu, inými slovami, že zostáva v pracovnej oblasti medzi osou úsečok a medznou charakteristikou LS danou priesečníkom RoN-odporu 9 s charakteristikou 11 pre Body diódu. Tým sa odstránia pri každom spôsobe prevádzky bipolárne vodivostné mechanizmy, takže sa nevyskytujú zostatkové náboje, čím sa udržujú nízke statické a dynamické straty.

Vhodným Gate-Source-napätím ako parameter v poli charakteristík podľa obr. 3 sa môže nastaviť žiadaný Drain-Source-prúd pri prepätiach. V normálnej prevádzke striedača sa vyskytujú v súlade s charakteristikou 9 pre RoN-odpor. len nízke straty, ktoré sú o to nižšie, čím strmšie charakteristika 9 prebieha. Pri karbide kremičitom (SiC), najmä pri štruktúre na spôsob MOSFETs, je možné, pôsobiť napríklad asi medzi 300 V a SOOO V pre napätie U podľa obr. 1 na prúd obmedzujúcim spôsobom. Gate-Source-napätie sa môže riadiacim zapojením 10 podľa obr. 1 vytvoriť o sebe známym spôsobom. Ak sa na polovodičovej oblasti nastaví v inverznej prevádzke Gate-Source-napätie len tak veľké, že Body dióda príslušnej polovodičovej oblasti je ešte bez prúdu, nepotrebujú sa žiadne nulové diódy, aby dynamické straty poklesli, lebo sa v podstate nevyskytujú .

Popísaný striedac sa môže použiť najrôznejším spôsobom. Môže sa napríklad použiť ako limitujúci člen, zapojený do série s obvyklými ochrannými spínačmi, pričom sa prúd v limitujúcom člene obmedzí pri prepätiach na určitú hodnotu. Pri normálnej prevádzke vykazuje taký nízky odpor, že statické straty zostávajú nízke. Striedač môže byť uskutočnený ale tiež ako spínač, ktorý pri zodpovedajúcom Gate-Source-napätí pri prepätiach prúd najskôr obmedzí na napred určenú hodnotu a pri zodpovedajúcom priebežne sa znižujúcom Gate-source-napätí klesne prúd na nulu. Striedac sa môže všeobecne použiť na to, že sa v pracovnej oblasti nezávisle na napätí U nastaví určitý prúd I.

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Strieda.č, ktorý pracuje najmenej s dvomi antisériovými polovodičovými oblasťami, ktoré sú vždy vybavené vysielačom elektrónov, kolektorom elektrónov a elektródou riadiacou tok elektrónov a s charakteristikami, aké majú FETs, s technologicky viazanou vnútornou Body diódou , vyznačujúci s a tým , že prvá polovodičová oblasť (1; S), ktorá je prevádzkovaná v priepustnom smere, má Gate-Source-napätie (6; 7), ktoré je zvolené tak, že stanoví obmedzenie prúdu striedača na napred zadanú pevnú hodnotu a pričom Gate-Source-napätie druhej polovodičovej oblasti (S; 1), ktorá pracuje v inverznej prevádzke a napred zadaná hodnota prúdu striedača prvej polovodičovej oblasti (1; S), sú zvolené tak, že druhá polovodičová oblasť (3; 1) pri tomto prúde má taký úbytok napätia, že jeho Body dióda je ešte bez prúdu.
2. 3. Striedaô podľa nároku 1 , vyznačujúci sa tým , že polovodičové oblasti (1; 3) sú vytvorené z karbidu kremičitého (SiC).

   3. Str’iedač podľa nároku 3 , vyznačujúci sa tým , že polovodičové oblasti (1; 3) sú vytvorené v mikročipe.
3. 4. Striedaô podľa nároku 3 , vyznačujúci sa tým, že polovodičové oblasti (1; 3) sú vytvorené ako diskrétne FETs.