устройство пропорционально-токового управления транзисторным ключом

Формула изобретения

Устройство пропорционально-токового управления транзисторным ключом, содержащее источник питания цепи управления, трансформатор, одна из вторичных обмоток которого включена между базой и эмиттером силового транзисторного ключа, вторая - в его выходную цепь, транзистор управления, эмиттер которого соединен с отрицательным выводом источника питания, к коллектору подключен первый вывод первичной обмотки трансформатора, второй вывод которой соединен с положительным выводом источника питания через эмиттер - коллекторный переход вспомогательного транзистора, зашунтированный ограничивающим резистором, а база вспомогательного транзистора через дополнительный резистор соединена с коллектором транзистора управления, отличающееся тем, что параллельно ограничивающему резистору включен конденсатор, а переход база - эмиттер вспомогательного транзистора зашунтирован встречно включенным диодом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к полупроводниковой преобразовательной технике, в частности к магнитно-транзисторным ключам, и может быть использовано для пропорционально-токового управления силовыми биполярными транзисторными ключами.

Известно устройство управления транзисторным ключом (А.С. СССР №930674, МПК Н 03 К 17/60 “Транзисторный ключ”, 1982 г.).

Устройство содержит трансформатор тока с тремя обмотками, первая из которых включена между одной из шин основного источника питания и эмиттером силового транзистора, вторая обмотка включена между базой и эмиттером этого транзистора, третья - между одной из шин дополнительного источника питания цепи управления и первым выводом резистора, второй вывод которого соединен с коллектором управляющего транзистора, база которого соединена с выходом блока управления, а эмиттер - с общей шиной, и дополнительного транзистора, коллектор которого подключен к первому выводу резистора, эмиттер - к общей шине, а база - к дополнительному выходу блока управления.

Недостатком этого устройства является его сложность, т.к. в этом случае блок управления должен иметь два выхода с различной длительностью импульсов для управления управляющим и дополнительным транзисторами.

Обычно в качестве блока управления используется ШИМ-контроллер, который не имеет специального выхода с узким импульсом для управления дополнительным транзистором, поэтому для его формирования необходимы дополнительные цепи, не указанные в схеме.

Кроме того, при выключении дополнительного транзистора вследствие индуктивного выброса из-за уменьшения тока в первичной обмотке трансформатора может произойти ложное включение силового транзисторного ключа и сбой в работе схемы, что уменьшает надежность ее работы.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является устройство для управления силовым транзисторным ключом (А.С. №951704, МПК Н 03 К 17/60, “Устройство для управления силовым транзисторным ключом”, 1982 г.), содержащее управляющий транзистор, эмиттер которого соединен с первой шиной источника питания, база - с входной шиной, к коллектору подключен первый вывод первичной обмотки трансформатора тока, вторичная обмотка которого подключена к шинам управления силового транзисторного ключа, в выходную цепь которого включена третья обмотка трансформатора тока, вспомогательный транзистор и резисторы. Второй вывод первичной обмотки трансформатора тока соединен со второй шиной источника питания через эмиттер - коллекторный переход вспомогательного транзистора, зашунтированный первым резистором. База вспомогательного транзистора через второй резистор соединена с коллектором управляющего транзистора, а параллельно второму резистору включена последовательная цепь из третьего резистора и встречно включенного диода.

Недостатком устройства является то, что при запирании силового транзистора рассасывание носителей в его базе происходит на интервале времени, пока управляющий и вспомогательный транзисторы открыты, т.е. от момента открытия управляющего до момента закрытия вспомогательного транзисторов. Как правило, вспомогательный транзистор имеет гораздо меньшую мощность, чем силовой, и поэтому для увеличения времени его закрытия требуется предварительное глубокое насыщение, для чего вводится дополнительная цепь из последовательного соединения резистора и диода.

Коммутационная способность устройства будет зависеть от изменения температуры окружающей среды и от подбора его элементов.

Кроме того, применение последовательной цепочки из резистора и диода может привести к завалу фронта отпирающего импульса на силовом транзисторе, т.е. к пропускам его отпирания, что снижает надежность работы устройства.

Технический результат предлагаемого изобретения - увеличение коммутационной способности и диапазона регулирования скважности импульсов силового транзисторного ключа, уменьшение зависимости режимов работы от изменения температуры окружающей среды.

Результат достигается тем, что в устройство управления силовым транзисторным ключом, взятое в качестве прототипа, содержащее источник питания цепи управления, трансформатор с тремя обмотками, одна из вторичных обмоток которого включена между базой и эмиттером силового транзисторного ключа, вторая - в его выходную цепь, транзистор управления, эмиттер которого соединен с отрицательным выводом источника питания, к коллектору подключен первый вывод первичной обмотки трансформатора, второй вывод которой соединен с положительным выводом источника питания через эмиттер - коллекторный переход вспомогательного транзистора, зашунтированный ограничивающим резистором, база вспомогательного транзистора через дополнительный резистор соединена с коллектором транзистора управления, параллельно ограничивающему резистору введен конденсатор, а переход база - эмиттер вспомогательного транзистора зашунтирован встречно включенным диодом.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства пропорционально-токового управления транзисторным ключом, где приняты следующие обозначения:

1 - силовой транзистор, работающий в режиме ключа;

2 - источник питания;

3 - трансформатор

4 - первичная обмотка,

5, 6, - вторичные обмотки;

7 - транзистор управления;

8 - ограничивающий резистор;

9 - конденсатор;

10 - вспомогательный транзистор;

11 - диод;

12 - дополнительный резистор.

Устройство пропорционально-токового управления транзисторным ключом с электрической развязкой цепи управления от силовой цепи содержит силовой транзистор 1, работающий в режиме ключа, источник питания 2, трансформатор 3 с первичной 4 и последовательно соединенными между собой двумя вторичными обмотками питания 5, 6, транзистор управления 7, эмиттер которого соединен с отрицательным выводом источника питания 2, коллектор - с началом первичной обмотки 4 трансформатора 3, конец которой через ограничивающий резистор 8 соединен с положительным выводом источника питания 2, начало вторичной обмотки 5 трансформатора 3 подключено к базе силового транзистора 1, а средний вывод вторичных обмоток 5, 6 - к его эмиттеру, конденсатор 9, включенный параллельно ограничивающему резистору 8, вспомогательный транзистор 10, коллектор которого соединен с положительным выводом источника питания 2, эмиттер - с концом первичной обмотки 4 трансформатора 3. Переход база-эмиттер вспомогательного транзистора 10 зашунтирован встречно-параллельно включенным диодом 11, а база через дополнительный резистор 12 соединена с началом первичной обмотки 4 трансформатора 3.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии силовой транзистор 1 открыт. Для его запирания на базу транзистора управления 7 подается положительный импульс, который открывает его, и к первичной обмотке 4 трансформатора прикладывается практически полное напряжение источника управления (за исключением падений напряжения на переходе коллектор-эмиттер открытого транзистора управления 7 и на конденсаторе 9, который предварительно к этому моменту был разряжен до нуля). Трансформатор 3 здесь работает в режиме трансформации напряжения и на переходе база-эмиттер силового транзисторного ключа 1 появляется запирающее напряжение, зависящее от коэффициента трансформации, за счет этого происходит быстрое рассасывание зарядов в базе силового транзистора 1 (активное запирание).

Вследствие большого тока вторичной базовой обмотки трансформатора на интервале времени рассасывания зарядов силового ключа 1, в течение доли или нескольких микросекунд, происходит сначала быстрый темп заряда конденсатора 9, а затем, после запирания силового ключа 1, напряжение на конденсаторе 9 увеличивается экспоненциально и ток первичной обмотки 4 трансформатора 3 ограничивается величиной сопротивления резистора 8.

На всем интервале времени запирания и закрытого состояния силового ключа 1 (открытого состояния транзистора управления 7) вспомогательный транзистор 10 также закрыт, т.к. вследствие положительного напряжения на конце первичной обмотки 4 открыт диод 11 в его базовой цепи.

Для отпирания силового транзистора 1 необходимо закрыть транзистор управления 7. При этом вследствие индуктивного выброса напряжение на начале первичной обмотки 4 становится положительным, поэтому на базе силового ключа 1 появляется также положительное напряжение. Силовой транзисторный ключ 1 отпирается и поддерживается в открытом состоянии за счетположительной обратной связи эмиттерной обмотки. При этом трансформатор 3 работает в режиме трансформатора тока. Кроме того, открывается транзистор 10 и конденсатор 9 разряжается через него практически до нуля, что дает возможность быстро подготовиться к последующему циклу запирания силового ключа 1. Это особенно важно, когда время включенного состояния силового ключа 1 мало (в режиме к.з. или холостого хода).

Таким образом, включение конденсатора позволяет создать на вторичной обмотке трансформатора запирающее напряжение база-эмиттер и, в результате этого, уменьшить время рассасывания зарядов в базе силового ключа, уменьшить динамические потери, т.е. увеличить коммутационную способность устройства. Кроме того, работа схемы становится менее критичной к изменению температуры окружающей среды, т.к. параметры конденсатора практически не изменяются от изменения температуры. Конденсатор полностью разряжается на вспомогательный транзистор после его включения, т.е. на интервале времени закрытого состояния транзистора управления, что позволяет подготовиться к следующему циклу выключения силового ключа.

Диод, включенный встречно-параллельно переходу база-эмиттер вспомогательного транзистора, ограничивает запирающее напряжение на этом переходе до величины, равной падению напряжения на нем в прямом направлении.