Изобретение относится к импульсной технике, а именно к силовым транзисторным ключам, осуществляющим коммутацию силовых электрических сигналов постоянного тока в устройствах электропривода или преобразовательной техники.
Известны магнитно-транзисторные ключи для коммутации силовых электрических сигналов постоянного тока, у которых силовой транзистор управляется от источника импульсного напряжения и его базовый ток не зависит от тока коллектора (тока нагрузки ключа).
Недостатком такого устройства является невысокое быстродействие и малый КПД, что в наиболее значительной степени проявляется при использовании высоковольтных силовых транзисторов, обладающих, как правило, незначительными коэффициентами усиления по току.
Более эффективными являются транзисторные ключи, использующие принцип пропорционально-токового управления при помощи трансформатора тока, который обеспечивает пропорциональность токов как на этапе открытого состояния силового транзистора, так и на интервале рассасывания избыточных зарядов из полупроводниковой структуры на этапе запирания насыщенного силового транзистора.
Недостатком этого устройства является невысокая энергетическая эффективность и большие габариты включающего и выключающего транзисторов, так как малые значения коэффициента усиления современных высоковольтных силовых транзисторов обусловливают сравнительно большие токи, коммутируемые включающим и выключающим транзисторами.
Лучшими характеристиками обладают магнитно-транзисторные ключи с применением двух трансформаторов тока, первый из которых включен в цепь тока нагрузки ключа, а второй - в базовую цепь силового транзистора. В таких устройствах осуществляется трансформация базового тока силового транзистора, вследствие чего токи, коммутируемые включающим и выключающим транзисторами, могут быть сделаны достаточно малыми. При этом происходит уменьшение мощности потерь коммутирующих транзисторов и в качестве их могут быть применены достаточно малогабаритные транзисторы. Это устройство является наиболее близким по технической сущности к предлагаемому.
Недостатком этого устройства является недостаточная надежность работы и невысокая энергетическая эффективность, что обусловлено следующими факторами.
Связь базы выключающего транзистора через резистор с коллектором включающего транзистора схемы-прототипа вызывает паразитные колебания в цепи выключающего тока на этапе рассасывания избыточных зарядов из полупроводниковой структуры насыщенного силового транзистора на этапе его запирания. Процесс выключения силового транзистора происходит следующим образом. После выключения включающего транзистора должно произойти включение выключающего транзистора. Оно может произойти, если на коллекторе включающего транзистора появится высокий уровень напряжения, создающий достаточный базовый ток выключающего транзистора, так как первоначально, пока выключающий транзистор не открылся и тока через него нет, на коллекторе включающего транзистора действительно появляется высокий уровень напряжения, открывающий выключающий транзистор. Однако после появления выключающего тока через выключающий транзистор и через выключающую обмотку второго трансформатора тока на средней точке второго трансформатора тока напряжение резко уменьшается, так как на этапе рассасывания избыточных зарядов из полупроводниковой структуры насыщенного силового транзистора напряжение на его базоэмиттерном переходе не меняет свою полярность, а только уменьшается по величине, в то время как по выключающей обмотке идет ток обратного направления (в приведенном виде) по отношению к приведенному току этапа открытого состояния силового транзистора. Это обусловливает не изменение полярности напряжения на выключающей обмотке второго трансформатора тока (как это происходит в традиционных двухтактных преобразователях напряжения), а снижение напряжения до уровня, определяемого приведенным напряжением на базоэмиттерном переходе силового транзистора. На включающей обмотке этого же трансформатора тока напряжение также уменьшается, что вызывает прекращение базового тока выключающего транзистора, и он запирается. Таким образом, пока выключающий транзистор заперт, на коллекторе включающего транзистора имеется возможность для появления высокого уровня напряжения, а появление тока через открытый выключающий транзистор эту возможность исключает. Если на рассматриваемом этапе времени запирания силового транзистора базовый ток выключающего транзистора достаточен для его насыщения, то процесс рассасывания избыточных зарядов из базы силового транзистора осуществляется периодическим включением и выключением выключающего транзистора, то есть посредством паразитных колебаний, период которых определяется степенью насыщения выключающего транзистора и соответствующим ей временем рассасывания избыточных зарядов из его полупроводниковой структуры. Подача рассасывающего тока в базу силового транзистора осуществляется рядом коротких импульсов. Такой процесс запирания силового транзистора приводит к невысокой надежности его работы, снижает его быстродействие и ухудшает КПД ключа.
Кроме того, недостаточная энергетическая эффективность устройства вызвана следующими обстоятельствами. Управление включающим транзистором осуществляется базовым током, отбираемым от схемы управления, например, от задающего генератора или модулятора. Если коэффициент усиления включающего транзистора невелик или изменяется при воздействии эксплуатационных факторов, то мощность, потребляемая по цепи управления, может стать существенной и будет препятствовать микроминиатюризации схемы уравнения. Использование в схеме управления, например КМОП, логических ИС, обладающих достаточно малым энергопотреблением, не даст должного выигрыша, так как с выходных инверторов схемы управления потребляется ток для создания открытого состояния включающего транзистора, что не уменьшает мощности, потребляемой схемой управления. Вместе с этим, базовый ток выключающего транзистора, когда он существует на этапе времени рассасывания силового транзистора, протекает по включающей обмотке, перемагничивая второй трансформатор тока в направлении, противоположном требуемому, то есть на этапе запертого состояния включающего транзистора ток по включающей обмотке протекать не должен, он должен протекать по выключающей обмотке, включенной встречно с включающей. Это заставляет увеличивать ток выключающей обмотки путем увеличения ее коэффициента трансформации, что приводит при равных рассасывающих токах силового транзистора к увеличению потребления тока по выключающей обмотке.
Целью изобретения является устранение этих недостатков, а именно расширение функциональных возможностей известного устройства за счет увеличения быстродействия транзисторного ключа, уменьшения мощности потерь и повышения надежности работы.
Цель достигается тем, что в предложенном устройстве осуществлено разделение токов, протекающих по включающей и выключающей обмоткам, за счет исключения точки их объединения, а также введения источника напряжения для создания базового тока выключающего транзистора, независимого от величины напряжения на коллекторе включающего транзистора. Кроме того, для повышения КПД схемы ключа и обеспечения надежной работы в режиме прерывистых токов нагрузки, когда ток коллектора силового транзистора начинается с нулевого значения, в ключ введено устройство для форсированного включения силового транзистора, то есть для реализации увеличенного значения его базового тока, независимого от тока коллектора. С целью снижения мощности, потребляемой управляющей цепью включающего транзистора от первичного источника, в схему ключа введен пусковой транзистор p-n-p-типа проводимости, управляемый коллекторным током включающего транзистора и осуществляющий увеличение его базового тока на этапе включенного состояния. Для улучшения массогабаритных характеристик ключа изменено управление пусковым транзистором и осуществляется через диодно-резистивную цепь от коллектора включающего транзистора. Для реализации защиты силового транзистора от перегрузки по току коллектора введены токоизмерительный датчик, включенный последовательно в цепь тока коллектора включающего транзистора, и защитный транзистор p-n-p-типа проводимости, базоэмиттерный переход которого подключен параллельно токоизмерительному датчику.
На фиг. 1-5 приведены схемы магнитно-транзисторных ключей, соответствующие пп. 1-5 формулы изобретения; на фиг. 6 - временные диаграммы работы ключа.
Магнитно-транзисторный ключ по схеме фиг. 1 содержит силовой транзистор 1, коллектор которого через конец и начало первичной обмотки 2 первого трансформатора 3 тока и через нагрузку 4 подключен к потенциальному полюсу первичного источника питания. Конец вторичной обмотки 5 трансформатора 3 тока подключен к эмиттеру транзистора 1 и к общему полюсу схемы, а начало - к катодам включающего 6, выключающего 7 диодов и через зарядный резистор 8 - к аноду зарядного диода 9, катод которого через выключающий резистор 10 соединен с базой выключающего транзистора 11 и через выключающий конденсатор 12 - с эмиттерами выключающего 11, включающего 13 и силового 1 транзисторов. Катоды включающего 6 и выключающего 7 диодов подключены соответственно к началу включающей 14 и к концу выключающей 15 обмоток второго трансформатора 16 тока, конец и начало которых соответственно соединены с коллекторами включающего 13 и выключающего 11 транзисторов. Начало и конец базовой обмотки 17 трансформатора 16 тока подключены к базе и эмиттеру силового транзистора 1 соответственно. Катод диода 6 подключен к точке соединения первых выводов включающего 18 и пускового 19 резисторов, вторые выводы которых соответственно соединены с базой включающего транзистора 13 и потенциальным полюсом первичного источника питания. База включающего транзистора 13 является входом 20 включающих импульсов, а база выключающего транзистора 11 - входом 21 выключающих импульсов схемы 22 управления. Схема 22 управления, изображенная в качестве примера, состоит из первого 23 и второго 24 КМОП ИС инверторов с открытым стоком, которые соответственно соединены с входами 20 и 21 магнитно-транзисторного ключа, а их истоки объединены и подключены к общему полюсу схемы. Входы первого 23 и второго 24 КМОП-инверторов подключены соответственно к выходу и входу логического инвертора 25. Выход задающего генератора (модулятора) 26 соединен с тем же входом инвертора 25.
Схема по фиг. 2, кроме описанных элементов, содержит пусковой диод 27, катодом и анодом включенный между катодом включающего диода 6 и точкой объединения первых выводов резисторов 18 и 19, а между катодами диодов 6 и 27 и эмиттером включающего транзистора 13 включен пусковой конденсатор 28.
Схема по фиг. 3, кроме описанных элементов, содержит пусковой транзистор 29 p-n-p-типа проводимости и коллекторный резистор 30, включенный между базой включающего транзистора 13 и точкой соединения второго вывода включающего резистора 18 и коллектора пускового транзистора 29, база которого соединена с началом включающей обмотки 15 второго трансформатора 16, а эмиттер - с точкой соединения катодов пускового 27 и включающего 6 диодов.
Схема по фиг. 4, кроме описанных по фиг. 1 и 2 элементов, содержит пусковой транзистор 29 p-n-p-типа проводимости, коллекторный резистор 30 и последовательную диодно-резистивную цепь, состоящую из диода 31 и резистора 32. Коллекторный резистор 30 включен между базой включающего транзистора 13 и точкой соединения второго вывода включающего резистора 18 и коллектором пускового транзистора 29, эмиттер которого соединен с точкой объединения катодов пускового 27 и включающего 6 диодов, а база через названную диодно-резистивную цепь 31, 32 - с коллектором включающего транзистора 13 и с концом включающей обмотки 15 трансформатора 16.
Схема по фиг. 5, кроме описанных по фиг. 1 и 2 элементов, содержит датчик 33 тока, включенный между катодом включающего диода 6 и точкой соединения катода пускового диода 27 с пусковым конденсатором 28. К катоду диода 6 подключен эмиттер p-n-p-защитного транзистора 34, базой соединенного с катодом пускового диода 27, эмиттер этого транзистора является выходом защитных импульсов, воздействующих на схему 22 управления.
Временные диаграммы фиг. 6 изображают эпюры: 35 - напряжение на прямом выводе 20 схемы 22 управления, очевидно, что напряжение на инверсном 21 выводе будет обратным; 36 - напряжение на пусковом конденсаторе 28; 37 - включающий ток через транзистор 13; 38 - ток коллектора силового транзистора 1; 39 - напряжение коллектор-эмиттер силового транзистора 1; 40 - напряжение на выключающем конденсаторе 12; 41 - выключающий ток через транзистор 11; 42 - базовый ток силового транзистора 1;
Магнитно-транзисторный ключ по схеме фиг. 1 работает следующим образом. Примем за исходное положение ключа запертое состояние силового транзистора 1 и соответствующие управляющие сигналы по выводам 21 и 22. При этом конденсатор 21 разряжен, а сигнал по выводу 20 схемы 22 управления соответствует нулевому, то есть ток через резисторы 18 и 19 поступает на нулевое состояние выхода КМОП-инвертора с открытым стоком 23, чем шунтируется вход транзистора 13 и обеспечивается его запертое состояние. Выход КМОП-инвертора с открытым стоком 24 заперт, однако транзистор 11 также заперт, так как разряженный конденсатор 12 не обеспечивает протекание его базового тока. Запертое состояние транзисторов 11 и 13 исключает протекание токов по обмоткам 14 и 15 второго трансформатора тока 16 и обеспечивает запертое положение силового транзистора 1. Вследствие отсутствия тока его коллектора на вторичной обмотке 5 первого трансформатора тока 3 напряжение и ток отсутствуют.
Когда, вследствие работы задающего генератора 26 схемы 22 управления, полевой транзистор КМОП-инвертора 23 запрется, ток через резисторы 18 и 19 начнет протекать в базу включающего транзистора 13, открывая его. Это обусловит появление тока во включающей обмотке 15 трансформатора 16 и во вторичной 17, нагруженной на базоэмиттерный переход силового транзистора 1. Транзистор 1 входит в линейный режим работы с появлением коллекторного тока, протекающего по обмотке 2 трансформатора 3 тока. Появляется ток во вторичной обмотке 5 трансформатора 3, который далее протекает по включающей обмотке 15 трансформатора 16 и обеспечивает дальнейшее насыщение силового транзистора 1 за счет положительной регенеративной обратной связи трансформаторов 3 и 16 ока. Силовой транзистор 1 далее остается открытым и насыщенным, и его ток коллектора определяется характером нагрузки 4 (активная, индуктивная или емкостная). Одновременно с этим протекание тока по обмотке 5 трансформатора 3 определяет появление на ней напряжения, величина которого равна приведенному падению напряжения на базоэмиттерном переходе транзистора 1 плюс падение напряжения на диоде 6 и включенном транзисторе 13. Практически это напряжение лежит в пределах 3-5 В. От него через резистор 8 и диод 9 заряжается выключающий конденсатор 12, который ранее был разряжен до нулевого напряжения. Увеличивающееся напряжение на конденсаторе 12 создает ток через резистор 10, который, однако, не открывает выключающий транзистор 11, так как его базоэмиттерный переход шунтирован открытым полевым транзистором КМОП-инвертора 24. До тех пор, пока полевой транзистор КМОП-инвертора 23 заперт, включающий транзистор 13 открыт, выключающий 11 - заперт и через обмотку 15 трансформатора 16 тока протекает включающий ток, обеспечивая прямой ток базы силового транзистора 1.
Далее схемой 22 управления начинает формироваться сигнал запирания силового транзистора 1. При этом полевой транзистор КМОП-инвертора 23 открывается, шунтируя базоэмиттерный переход транзистора 13 и запирая его, а полевой транзистор КМОП-инвертора 24 запирается, чем открывается выключающий транзистор 11, так как ток через резистор 10 от заряженного конденсатора 12 идет в его базу. В это время существует ток коллектора силового транзистора 1, трансформирующийся в обмотку 5 трансформатора 3. Включение транзистора 11 и наличие тока в обмотке 5 приводят к появлению выключающего тока по обмотке 14 трансформатора 16 тока. Вследствие встречного по отношению к обмотке 15 включения обмотки 14 по вторичной обмотке 17 начнет протекать ток обратного направления, вызывающий рассасывание избыточных зарядов из полупроводниковой структуры силового транзистора 1. На этапе рассасывания ток базы транзистора 11 обеспечивается напряжением на конденсаторе 12, разряд которого за это время должен быть таким, чтобы ток базы транзистора 11 бы достаточен для его открытого состояния.
По окончании времени рассасывания транзистор 1 запирается, исчезают его ток коллектора, ток вторичной обмотки 5 трансформатора 3, включающий ток через обмотку 14 трансформатора 16 тока и рассасывающий ток базы транзистора 1. Конденсатора 12 продолжает разряжаться на базу транзистора 11, и его базоэмиттерный переход остается открытым, не вызывая при этом каких-либо изменений в работе схемы.
После окончания разряда конденсатора 12 схема приходит в первоначальное состояние и далее процессы повторяются. В общем случае конденсатор 12 может и не разряжаться до конца к приходу последующего импульса включения включающего транзистора 13, однако при этом несколько снижается энергетическая эффективность схемы за счет бесполезности остаточного напряжения конденсатора.
Таким образом, в предложенной схеме управление выключающим транзистором осуществляется от напряжения, накопленного на выключающем конденсаторе 12 на этапе времени открытого состояния силового транзистора 1 и существования его коллекторного тока, и не зависит от напряжения на коллекторе включающего транзистора или от какого-либо напряжения на обмотках второго трансформатора 16 тока. Кроме того, управление включающим 13 и выключающим 11 транзисторами от схемы 22 управления осуществляется при помощи КМОП логических ИС с открытым стоком, чем практически исключается энергопотребление ключа от схемы управления. Кроме того, процесс выключения силового транзистора 1 осуществляется непрерывным импульсом обратного тока и без разрывных паразитных автоколебаний, чем повышается надежность работы схемы и ее быстродействие.
Ключ по схеме фиг. 2 работает следующим образом. В исходном положении, так же как и в предыдущей схеме, транзисторы 11 и 13 заперты и токи через обмотки 14 и 15 отсутствуют. Силовой транзистор 1 выключен. Однако пусковой конденсатор 28 в предыдущем такте работы ключа заряжен или зарядился через резистор 19 и диод 27 от первичного источника (в первоначальный момент пуска ключа).
Как и в предыдущем случае, с запиранием полевого транзистора КМОП-инвертора 23 открывается включающий транзистор 13. Пока не появился коллекторный ток силового транзистора 1 и не вступила в действие положительная обратная связь трансформаторов 3 и 16 тока, ток через включающую обмотку обеспечивается за счет разряда пускового конденсатора 28, который, разряжаясь, форсирует первоначальный ток базы силового транзистора 1, ускоряет его включение, а также повышает надежность работы ключа при индуктивной нагрузке с нулевыми начальными условиями (режим прерывистых токов нагрузки). Емкость конденсатора 28 выбирается такой, чтобы ток через включающую обмотку 15 был достаточен для требуемой степени форсирования или для поддержания тока базы силового транзистора 1 на должном уровне до "подхватывания" положительной обратной связи трансформаторов 3 и 16 тока. Практически она лежит в пределах долей микрофарады. После появления коллекторного тока конденсатор 28 подзаряжается от обмотки 5 трансформатора 3 тока через включающий диод 6 и его энергия не расходуется.
Процессы выключения включающего 13 и включения выключающего 11 транзисторов, а также запирания силового транзистора 1 не отличаются от описанных ранее.
Таким образом, в схеме фиг. 2 обеспечивается форсирование включения силового транзистора 1 и надежная работа ключа при использовании индуктивной нагрузки с нулевыми начальными условиями.
Ключ по схеме фиг. 3 работает следующим образом. В момент включения включающего транзистора 13 появляющийся его коллекторный ток (ток включающей обмотки 15) открывает пусковой транзистор 29. Если в начальный момент открывания транзистора 13 его базовый ток определялся суммой сопротивлений резисторов 19, 18 и 30, то после появления коллекторного тока его базовый ток определяется напряжением на заряженном, как это было видно из описанной выше схемы, пусковом конденсаторе 28 и может быть сделан большим, без существенных энергозатрат, чем в предыдущей схеме. Это обусловлено тем, что в предыдущей схеме базовый ток включающего транзистора 13 образовывался первичным источником питания, напряжение которого практически всегда более значительно, чем напряжение на пусковом конденсаторе 28. Поэтому в схеме фиг. 3 начальный ток включения включающего транзистора 13 (через резисторы 19, 18 и 30) может быть выбран значительно меньшим, достаточным для введения его в линейный режим, то есть до появления коллекторного тока, который затем увеличивает напряжение на резисторе 30 и ток базы транзистора 13. Здесь ток через резисторы 19, 18 и 30 не должен обеспечивать насыщения включающего транзистора, так как оно будет выполнено базовым током через резистор 30 от напряжения на пусковом конденсаторе 28. Остальные процессы работы аналогичны описанным выше.
Таким образом, введение пускового транзистора 29 и резистора 30 в схеме фиг. 3 обеспечивает снижение мощности потерь ключа за счет питания базовой цепи включающего транзистора 13 от менее низковольтного источника питания, получаемого от вторичной обмотки 5 первого трансформатора 3 тока.
Ключ по схеме фиг. 4 работает следующим образом. Пусковой транзистор открывается не током коллектора включающего транзистора 13, а от напряжения на его коллекторе. Когда транзистор 13 открыт, что соответствует протеканию через него тока, включается и пусковой транзистор 29, базовый ток которого задается диодно-резистивной цепью из элементов 31 и 32. Величины базового тока включающего транзистора 13 определяются, как и в предыдущей схеме, теми же факторами и элементами. Остальные процессы работы аналогичны описанным выше.
Схема фиг. 4 дает возможность использовать в качестве пускового транзисторы существенно меньшей мощности, так как в предыдущей схеме относительно большие значения включающего тока обмотки 15 требуют применения транзистора 29 с таким же большим допустимым базовым током, что не всегда приемлемо по соображениям ограничения массогабаритных характеристик.
Ключ по схеме фиг. 5 отличается ведением регистрации превышения тока коллектора свыше допустимого значения. Падение напряжения на токоизмерительном датчике 33 вызывает включение защитного транзистора 34, который, открываясь, дает соответствующий сигнал в схему 22 управления на выключение силового транзистора 1 посредством выключения включающего транзистора 13 или вызывая какие-либо другие действие.
Таким образом в схеме фиг. 5 обеспечивается реализация функции защиты от превышения выключающего тока, который в приведенном виде (через коэффициент трансформации первого трансформатора 3 тока) равен току коллектора силового транзистора 1.
Временные диаграммы отображают процессы схемы по фиг. 2. Они показывают следующее. В момент времени to открывается включающий транзистор 13, так как с его базы снимается шунтирование полевым транзистором КМОП-инвертора 23 (эпюра 35). Появляется его коллекторный ток (эпюра 37). Начинается разряд конденсатора 28 (эпюра 36), длящийся до момента времени t1. Как видно из эпюры 37, разряд конденсатора 28 определяет форсирование тока через включающую обмотку 15 трансформатора 16 тока, что обусловливает форсирование прямого тока базы силового транзистора 1 (эпюра 42). Появляется ток коллектора силового транзистора 1 (эпюра 33) и напряжение коллектор-эмиттер снижается до нуля (эпюра 39). Далее до момента времени t3 ток коллектора транзистора 1 увеличивается по линейному закону - принимается, что нагрузка 4 имеет индуктивный характер. Конденсатор 12 на протяжении этого времени заряжается (эпюра 40) и должен полностью зарядиться. Одновременно с этим заряжается и конденсатор 28, восстанавливая заряд, частично потерянный для форсирования включения силового транзистора 1.
Когда в момент времени t3 кончается импульс длительности tn, включающий транзистор 13 запирается, исчезает его ток коллектора (эпюра 37) и включается включающий транзистор 11 с появлением выключающего тока (эпюра 41). Этот ток обусловливает появление обратного рассасывающего базового тока силового транзистора 1 (эпюра 42). Конденсатор 12 разряжается на базу выключающего транзистора 11. На всем протяжении времени рассасывания ts разряд конденсатора 12 не должен закончиться (эпюра 40). После окончания времени рассасывания ток коллектора силового транзистора прекращается (эпюра 37), напряжение коллектор-эмиттер увеличивается (эпюра 39), прекращается и выключающий ток транзистора 11 (эпюра 41). Далее схема приходит в исходное состояние и процессы повторяются.
Следовательно, предложенные схемы фиг. 1-5 расширяют функциональные возможности применения магнитно-транзисторного ключа в современных системах автоматики, радиоэлектроники и преобразовательной техники за счет повышения надежности работы, снижения мощности потерь, улучшения массогабаритных характеристик и повышения быстродействия.
Действие схем изобретения проверено на макете со следующими данными: силовой транзистор 2Т866А, включающий и выключающий транзисторы 1НТ251А, пусковой и защитный транзисторы 2Т326Б, КМОП-инверторы 24 и 23 ИС типа 564ЛА10. Напряжение питания 30 В, нагрузка индуктивно-активная с током коммутации 3 А. Испытания показали работоспособность устройства и верность изложенных в описании положений.
Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для коммутации силовых электрических сигналов постоянного тока, например, в преобразователях напряжения. Ключ содержит силовой транзистор, управление которым производится двумя трансформаторами тока, осуществляющими промежуточную трансформацию коммутируемых включающим и выключающим транзисторами токов. Для форсирования включения силового транзистора, а также для повышения надежности работы в режиме прерывистых токов нагрузки включен конденсатор, обеспечивающий на начальном этапе включения ток базы транзистора, независимый от его тока коллектора. В устройстве обеспечивается пропорциональность тока базы току коллектора силового транзистора как на этапе его открытого состояния, так и на этапе рассасывания избыточных зарядов из его полупроводниковой структуры при запирании. 5 с. п. ф-лы, 6 ил.
