Способ уменьшения потерь в мостовых схемах на полевых транзисторах

Изобретение относится к области силовой электроники и может найти применение в мостовых схемах ключей для широтно-импульсной модуляции (ШИМ) на полевых транзисторах с индуктивной нагрузкой, например в схемах инверторов для электропривода. Технический результат - уменьшение энергии потерь ключей мостовой схемы во время протекания тока, вызванного электродвижущей силой самоиндукции индуктивной нагрузки, увеличение коэффициента полезного действия и надежности. Включают в проводящее состояние все полевые транзисторы одной из сторон мостовой схемы на время пассивной части периода широтно-импульсной модуляции, т.е. той части, когда не подается напряжение на нагрузку. При этом включение полевых транзисторов происходит с задержкой на время переключения в непроводящее состояние полевых транзисторов противоположной стороны. Отличительным признаком способа является включение всех полевых транзисторов верхней или нижней стороны мостовой схемы на время пассивной части ШИМ, для того, чтобы обеспечить протекание тока самоиндукции нагрузки через полевые транзисторы. Ток через один или несколько из этих полевых транзисторов протекает в обратном направлении, при этом используется свойство полевых транзисторов пропускать электрический ток как в прямом, так и в обратном направлении без ухудшения характеристик. 1 ил.

 

Изобретение относится к области силовой электроники. Изобретение может найти применение в мостовых схемах ключей для широтно-импульсной модуляции (ШИМ) на полевых транзисторах с индуктивной нагрузкой. Например, в схемах инверторов для электропривода. Может использоваться в электроприводе для робототехники, на транспорте, в бытовой технике и т.д.

В настоящее время в мостовых схемах для протекания тока самоиндукции параллельно транзисторам устанавливают диоды. Для уменьшения потерь энергии выбираются диоды с минимальным прямым падением напряжения и минимальным временем восстановления обратного сопротивления [1]. Как правило, это диоды Шотки.

В мостовых схемах на полевых транзисторах иногда допускается не применять дополнительные диоды, т.к. в структуру современного мощного полевого транзистора обязательно входит паразитный антипараллельный диод [1], [2], [3]. И через этот диод замыкается ток самоиндукции.

На чертеже приведена схема мостового инвертора. Схема содержит полевые транзисторы VT1-VT4. Транзисторы VT1 и VT2 образуют верхнюю, а транзисторы VT2 и VT4 - нижнюю сторону мостовой схемы. Паразитные диоды, входящие в структуру мощного полевого транзистора, на схеме показаны диодами, включенными параллельно транзисторам. Т.к. эти диоды - неотъемлемая часть мощных полевых транзисторов, диоды не имеют отдельного обозначения. Lн - индуктивность нагрузки мостовой схемы. На схеме показаны транзисторы с каналом N типа, для транзисторов с каналом Р типа все выводы остаются в силе при соответствующем изменении полярности. При помощи широтно-импульсной модуляции регулируется ток нагрузки. В настоящее время схемы управления работают так: два из 4-х транзисторов мостовой схемы определяют направление тока нагрузки (например, нижние VT2 и VT4 на фиг.1), а собственно ШИМ реализуют два других транзистора (верхние VT1 и VT3). При этом один из нижних транзисторов включен, а другой выключен все время, пока не потребуется изменить направление тока нагрузки. Один из верхних транзисторов находится в проводящем состоянии во время активной части периода ШИМ (т.е. та часть периода, когда подается напряжение питания на нагрузку) и оба верхних транзистора находятся в непроводящем состоянии во время пассивной части периода ШИМ (т.е. когда напряжение на нагрузку не подается). Допустим, в активную часть периода ШИМ открыты транзисторы VT1 и VT4, ток протекает через Lн, запасая энергию в магнитном поле индуктивности нагрузки. В пассивную часть периода ШИМ транзистор VT1 выключен, но ток через нагрузку продолжает протекать за счет энергии магнитного поля. Ток течет от Lн через VT4, паразитный диод транзистора VT2 к Lн. Этот ток вызывает падение напряжения на прямом переходе диода (от 0,6 до 2-х Вольт), что вызывает выделение значительной мощности (произведение тока на падение напряжения). Например, при токе в 5 А выделяется мощность 4 Вт, что требует применения мощных транзисторов и радиаторов.

Чтобы уменьшить мощность потерь, в настоящее время применяют шунтирование паразитного диода диодом Шотки. Мощность потерь при этом снижается, но остается выше, чем в предлагаемом способе, к тому же появляется дополнительный элемент, что увеличивает габариты и стоимость.

Предлагаемый способ уменьшения потерь в мостовых схемах на полевых транзисторах позволяет уменьшить энергию потерь ключей мостовой схемы во время протекания тока, вызванного электродвижущей силой (ЭДС) самоиндукции индуктивной нагрузки.

Уменьшение потерь энергии, а следовательно, уменьшение выделяемого тепла позволяет увеличить коэффициент полезного действия и надежность устройств, использующих данный способ. Во многих случаях можно уменьшить размеры радиаторов силовых транзисторов, отказаться от использования внешних диодов, применять элементы меньшей мощности, что позволит уменьшить габариты и стоимость устройств, использующих данный способ.

Для достижения указанного технического результата в предлагаемом способе включают в проводящее состояние все полевые транзисторы одной из сторон мостовой схемы на время той части периода широтно-импульсной модуляции, когда не подается напряжение на нагрузку. При этом включение полевых транзисторов происходит с задержкой на время переключения в непроводящее состояние полевых транзисторов противоположной стороны.

Отличительным признаком предложенного способа является включение всех полевых транзисторов верхней или нижней стороны мостовой схемы на время пассивной части ШИМ, для того, чтобы обеспечить протекание тока самоиндукции нагрузки через полевые транзисторы. Ток через один или несколько из этих полевых транзисторов протекает в обратном направлении, при этом используется свойство полевых транзисторов пропускать электрический ток как в прямом, так и в обратном направлении без ухудшения характеристик.

Для мостовой схемы, приведенной на чертеже, и случая ШИМ, рассмотренного выше, в пассивную часть периода ШИМ нужно включить транзисторы VT2 и VT4. При этом ток, вызванный ЭДС самоиндукции, будет замыкаться через эти полевые транзисторы. Сопротивление канала у современных низковольтных транзисторов бывает 10 мОм и менее. Мощность потерь снижается особенно сильно при небольших токах, например мощность потерь при токе 5 А составит 0,25 Вт, а при 1 А - 0,01 Вт. Таким образом, при использовании данного способа потери, вызванные протеканием тока самоиндукции нагрузки, определяются сопротивлением канала полевого транзистора, а не падением напряжения на диоде.

В трехфазной мостовой схеме данный способ реализуется одновременным включением трех нижних или трех верхних полевых транзисторов на время неактивной части периода ШИМ.

Применение способа в мостовых схемах с быстрым переключением транзисторов не избавляет от необходимости вводить диод Шотки параллельно транзистору, т.к. между включением транзисторов верхней и нижней сторон мостовой схемы должно пройти некоторое время для исключения сквозного тока. В течение этого времени ток самоиндукции замыкается через диод, а паразитный диод полевого транзистора имеет слишком большое время восстановления обратного сопротивления. Применение данного способа в этом случае позволит использовать менее мощные диоды Шотки и уменьшает общее тепловыделение.

Управление полевыми транзисторами в мостовой схеме может быть реализовано одним из известных способов, например, как приведено в источнике [1].

Достоинство данного способа в том, что не требуется дополнительная аппаратура, а способ реализуется включением транзисторов, которые присутствуют в схеме изначально.

Данный способ используется для улучшения характеристик устройства управления двухфазным двигателем исполнительного механизма привода рулевых тяг самолета ИЛ-114.

Источники информации

1. Семенов Б.Ю. Силовая электроника для любителей и профессионалов. М., «Солон-р», 2001 г., стр. 67, 68, 92, 181-184, 270-278.

2. Полищук А. Выбор ключевых транзисторов для преобразователей с жестким переключением. Современная электроника, №1, 2004 г., Стр.8-11.

3. Окснер Э.С. Мощные полевые транзисторы и их применение. Пер. с англ. - М.: «Радио и связь», 1985 г., стр.93-97.

Способ уменьшения потерь в мостовых схемах на полевых транзисторах, заключающийся в том, что включают в проводящее состояние все полевые транзисторы одной из сторон мостовой схемы на время той части периода широтно-импульсной модуляции, когда не подается напряжение на нагрузку, при этом включают полевые транзисторы с задержкой на время переключения в непроводящее состояние полевых транзисторов противоположной стороны.