Высоковольтный ключ на MOSFET (MOSFET последовательно)

[Chamomile]

Доброго дня. И сразу к делу.

Хотелки
Есть 6кВ и батарея конденсаторов на несколько мкФ. Нужен контролируемый по времени разряд (1-200мкс) на резистивную нагрузку. В основном одиночные импульсы, максимум частота следования 1Гц.

Идея
Последовательное включение полевых транзисторов (MOSFET). В качестве вдохновения использовались следующие статьи:
1) Stacking power MOSFETs for use in high speed instrumentation (1992)
2) Transformerless Capacitive Coupling of Gate Signals for Series Operation of Power MOS Devices (2000)

Реализация
Схема по сути из второй статьи без особых нововведений.


Q1-6 - IMW120R045M1, 1200В 52А (130А пиковый), временные характеристики у них очень хорошие.

R - что-нибудь высоковольтное >1,5кВ на 75кОм и 1%, с минимальной индуктивностью (thick film, например)
Ток через балансные сопротивления должен быть больше тока утечки в MOSFET (zero gate voltage drain current). По даташиту максимальный I_dss=200мкА, беру разницу в 80 раз (по аналогии со статьёй), получаю 75кОм на 1200В.

R_g - 9,5Ом <1%, 0.25Вт
Резистор в цепи затвора, R_g = V_gss * t_on / Q_g
где V_gss=15В, t_on = t_d(on) + t_r = 9+24 = 33нс и Q_g=52нКл. Соответствующий пиковый ток получается I_g = 1,6А.
Затрачиваемая мощность на открытие затвора P_g = V_gss * Q_g * f, где f - частота коммутации. В моём случае минимальная ширина импульса 1мкс, что примем за 500кГц. Получаем 0,39Вт, но т.к. планируются одиночные импульсы, думаю вполне можно скинуть и до 0,25Вт.

ZD - стабилитроны (диоды Зенера), 15В, 0,25Вт
Защита затворов от перенапряжения. Хотя максимальное V_gss у транзистора 20В, не вижу смысла прикладывать выше 15В, т.к. вот в этом пособии от производителя в пункте 3.4 на стр.8 указывается, что пиковый ток короткого замыкания для 15В куда меньше по сравнению с 18В, например, и вообще не факт, что MOSFET переварит короткое при 18В.

SD - быстрые/Шоттки диоды, по 50В, >2А пиковый ток
Параллельно R_g - для быстрого закрытия затвора, параллельно ZD_gs - чтобы стабилитрон лучше переваривал резкие скачки тока во время открытия/закрытия затвора. Чтобы диоды работали, ток затвора I_g > V_fwd / R_g, где V_fwd - Diode Forward Voltage.

С - 5 штук, >1,5кВ и <1%
Опять же по статьям: сначала определяется эквивалентная ёмкость затвор-исток в виде
C'_gs = C_iss + C_rss * A, где A = V_ds / V_gss и C'_gs = 1900+13*1200/15 = 2940пФ, тогда С = С'_gs / A = 2940/80 = 36,75пФ - это для самого верхнего, остальные получаются, соответственно, домножением на порядковый номер.
Есть ещё одна формула для С = C'_gs * V_gss / (V_ds - V_gss) = 37,22пФ.
Не сильно понял между ними разницу, но результат схожий. Да, при расчёте С'_gs необходимо также добавить ёмкость стабилитрона, которую я пока не учитывал.
Точные значения буду набирать из 2 ёмкостей параллельно, возможно с разными максимальными напряжениями.

Вопросы
Вообще я не паяльник ни разу и схемотехникой занимаюсь очень мало и очень редко. Поэтому я категорически приветствую любые комментарии по вышеизложенному, вполне верю что есть косяки по дизайну и другие детские ошибки.
Теперь конкретнее.
1) Не понимаю, как рассчитывать мощность драйвера затворов. В такой компоновке просто суммировать максимальные пиковые токи на всех затворах, т.е. просто 6*I_g?
2) Касательно снаберной схемы, нужно ли городить для каждого транзистора отдельно или достаточно одного набора для всего каскада?

ЗЫ: если материал окажется вменяемым и без серьёзных косяков, то будет неплохим руководство для всех желающих, ибо готовые варианты таких приборов стоят как чугунный мост.

[musor]

интереснаяч тема но...

[SSkot]

Моделирование Вам в помощь.
в целом работает, но есть моменты.

[Николай_С]

Ничего не выйдет.
Допустимое напряжение Vgs мосфета составляет -10 / +20 В. В Вашей же схеме в момент переключения оно будет достигать напряжения Vds, т.е. порядка +-1200 В. Диод Зеннера на пару с мосфетом такого не переживут. Потом, при открывании самого первого мосфета напряжение на остальных закрытых перераспределится и превысит допустимое. Да и утечка через выравнивающие потенциал резисторы сведёт на нет все прелести такого ключа - конденсаторы будут всё время перезаряжаться.
Вывод: Придётся подождать появления мосфетов на рабочее напряжение более 6 кВ и делать классическую схему коммутатора.

[Chamomile]

Не хотелось, но пришлось лезть в симулирование.

SSkot, спасибо за совет. Собрал схему на 6 IRF840 и 3кВ, в принципе похоже на правду. Можно ещё, наверное, поиграть с балансными ёмкостями, т.к. разница в 50В между крайними.

У меня просьба, не могли бы вы выложить вашу модель? Не пойму куда уходят 200В на выходе в моём случае, у вас такой просадки нет.
На оф.сайте, кстати, доступна 12 версия.

[musor]

схема вполне рабочая и вполне успешно применялась мной очень давно в строке правда для 2ключей впослед(IGBT)
аналогично (почти) юзались биполяры но управление шло ченрез GDT(тгр) КСТАТИ ТОЖЕСАМОЕ(GDT)
ЛУЧШЕ ПРИМЕНИТЬ И ТУТ РАЗУМЕТСЯ изо gdt РАСЧИТЫВАТЬ НА 6-8КВ -ЗАЛИТЬ СПЕЦКОМПАУНДОМ В БАНКЕ ИЗ ПЛАСТИКА
ДЛЯ ВЫРАВНИВАНИ НАПРРЯГА си В ДИНАМИКЕ МАЛО ШУНТ РЕЗИСТОРОФ +НУЖЕН ЕМКОСНОЙ ДЕЛИТЕЛЬ БЕЗ НЕГО РАЗБЕЖКА ИДЕТ
ДА ВСЕ ПОДОБНЫЕ СХЕМЫ ТОКА ДЛЯ ДИНАМИКИ СТАТИКА ИМ ПРОТИВАПОКАЗАНА
ЕМКОСНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ В УПРАВЕ ГАТЯМИ РАБОТАЕТ НО ДОВОЛНО КРИВА-ТРУДНО ОБЕСПЕЧИТ ВСЕМ КЛЮЧАМ ПОРОВНУ

[vlasovzloy]

А если оптопарами управлять? Для питания затворов дсдс изолированные модули взять. А для выравнивания цепочку из резистора и стабилитрона

[SSkot]

Chamomile, пожал
https://drive.google.com/open?id=1abT0z ... wjiLZUVTjc
ток эт не моделька а так.
советую прислушаться к musor, GDT будет лучше.