УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ТРАНЗИСТОРНЫМ КЛЮЧОМ Российский патент 2003 года по МПК H02M1/08 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для управления силовыми транзисторами вторичных источников электропитания с трансформаторной гальванической развязкой цепей управления от силовых цепей.

Для управления транзисторными силовыми ключами вторичных источников электропитания известны схемы трансформаторных устройств [1], которые разработаны для управления ключами на биполярных транзисторах, недостатки которых в сравнении с мощными МДП-транзисторами известны.

Для управления силовыми ключами на МДП-транзисторах, в которых по условиям работы требуется гальваническая развязка цепей управления от силовых цепей применяются различные схемы, учитывающие особенности процессов переключения МДП-транзисторов в схемах преобразователей. Пример такой схемы предложен в [2]. В этой схеме сигнал со вторичной обмотки управляющего трансформатора одновременно используется для формирования низкоимпедансного источника напряжения положительного смещения затвора силового транзистора, необходимого для форсированного заряда-разряда емкости затвора.

Однако приведенные устройства объединяет общий недостаток - невозможность работы в диапазоне изменения коэффициента заполнения импульсов управления от 0 до 1. Для решения этой задачи обычно используется параллельное включение двух силовых транзисторов с индивидуальными схемами управления, работающих противофазно, с целью увеличения диапазона работы ключа от закрытого до полностью открытого состояния. Такое решение приводит к ухудшению массогабаритных характеристик преобразователей и потому не всегда осуществимо.

Наиболее близким к заявляемому устройству является схема управления мощным транзистором [3] , содержащая первый трансформатор с первой и второй обмотками, ШИМ, силовой транзистор и первый запирающий транзистор.

К недостаткам описанного устройства можно отнести невозможность его работы с коэффициентом заполнения импульсов управления в диапазоне от 0 до 1, а также низкий кпд ключа на биполярном транзисторе по сравнению с мощными МДП-транзисторами.

Задачей, на решение которой направлено создание заявленного изобретения, является расширение диапазона регулирования ключа и повышение его кпд.

Задача решается тем, что в устройстве управления транзисторным ключом, содержащем первый трансформатор с первой и второй обмотками, ШИМ, силовой транзистор и первый запирающий транзистор, в качестве силового транзистора применен МДП-транзистор, первый трансформатор выполнен трехобмоточным, дополнительно введены блок управления, второй трансформатор с первой, второй и третьей обмотками, второй запирающий транзистор, первый, второй, третий и четвертый диоды, первый, второй, третий, четвертый и пятый резисторы, при этом первые выводы вторых обмоток первого и второго трансформаторов подключены соответственно к анодам первого и второго диодов, катоды которых подключены к точке соединения управляющего вывода силового транзистора, коллектора первого запирающего транзистора и одного из выводов первого резистора, объединенные вторые выводы вторых обмоток первого и второго трансформаторов соединены с первым выводом третьей обмотки первого трансформатора, с другим выводом первого резистора, истоком силового транзистора, эмиттерами первого и второго запирающих транзисторов, анодом третьего диода и одним из выводов третьего резистора, и через второй резистор - со вторым выводом третьей обмотки второго трансформатора, второй вывод третьей обмотки первого трансформатора подсоединен через четвертый резистор к базе первого, коллектору второго запирающих транзисторов и катоду четвертого диода, анод которого через пятый резистор подсоединен ко второму выводу третьей обмотки второго трансформатора, первый вывод которой соединен с другим выводом третьего резистора, катодом третьего диода и базой второго запирающего транзистора, сигнал с ШИМ поступает на вход блока управления, управляющие импульсные сигналы которого y₁, у₂, поданные на первые обмотки трансформаторов, изменяются в соответствии с логическими выражениями где x₁ - сигнал ШИМ, x₂ - меандр с тактовой частотой задающего генератора ШИМ.

Вариант выполнения устройства управления транзисторным ключом имеет дополнительный резистор, соединяющий сток силового транзистора и базу первого запирающего транзистора.

На фиг.1 представлена схема устройства управления транзисторным ключом, на фиг.2 приведены эпюры напряжений, поясняющие работу устройства.

Устройство состоит из первого 1 и второго 2 трансформаторов, имеющих соответственно первую 3 (6), вторую 4 (7) и третью 5 (8) обмотки, силового МДП-транзистора 9, первого 10 и второго 11 запирающих транзисторов, первого 12, второго 13, третьего 14 и четвертого 15 диодов, первого 16, второго 17, третьего 18, четвертого 19 и пятого 20 резисторов, ШИМ 21, блока управления 22 с подключенными первыми обмотками 3, 6 трансформаторов 1, 2, при этом первые выводы вторых обмоток 4 и 7 первого 1 и второго 2 трансформаторов подключены соответственно к анодам первого 12 и второго 13 диодов, катоды которых подключены к точке соединения управляющего вывода силового транзистора 9, коллектора первого запирающего транзистора 10 и одного из выводов первого резистора 16, объединенные вторые выводы вторых обмоток 4, 7 первого 1 и второго 2 трансформаторов соединены с первым выводом третьей обмотки 5 первого трансформатора 1, с другим выводом первого резистора 16, истоком силового транзистора 9, эмиттерами первого и второго запирающих транзисторов 10, 11, анодом третьего диода 14 и одним из выводов третьего резистора 18, и через второй резистор 17 - со вторым выводом третьей обмотки 8 второго трансформатора 2, второй вывод третьей обмотки 5 первого трансформатора 1 подсоединен через четвертый резистор 19 к базе первого, коллектору второго запирающих транзисторов 10, 11 и катоду четвертого диода 15, анод которого через пятый резистор 20 подсоединен ко второму выводу третьей обмотки 8 второго трансформатора 2, первый вывод которой соединен с другим выводом третьего резистора 18, катодом третьего диода 14 и базой второго запирающего транзистора 11.

Вариант выполнения устройства управления транзисторным ключом имеет дополнительный резистор 23, соединяющий сток силового транзистора 9 и базу первого запирающего транзистора 10.

Устройство работает следующим образом.

Трансформаторы 1, 2 работают попеременно в однотактном режиме с трансформацией энергии в импульсе управляющего сигнала. Коэффициент заполнения импульсов сигналов управления каждого трансформатора не превышает 0,5.

Сигнал ШИМ поступает на вход блока управления, задача которого сформировать сигналы управления y₁, y₂ трансформаторами 1, 2, изменяющиеся в соответствии с логическими выражениями где x₁ - сигнал ШИМ, x₂ - меандр частоты задающего генератора ШИМ (не показан). В зависимости от способа формирования сигнала ШИМ, который может увеличивать длительность импульсов "от фронта" или "от среза" импульсов тактовой частоты задающего генератора ШИМ, а также иметь различные направления изменения длительности импульсов по отношению к импульсам сигнала задающего генератора ШИМ, сигналы y₁, у₂ должны быть поданы на первые обмотки трансформаторов 1, 2 таким образом, чтобы фронты импульсов управляющего сигнала, поданного на трансформатор 1 совпадали с фронтами импульсов сигнала ШИМ и обеспечивали открывание силового транзистора 9, а срезы импульсов управляющего сигнала, поданного на трансформатор 2, совпадали со срезами импульсов сигнала ШИМ и обеспечивали его закрывание.

На фиг. 2 представлены поясняющие работу устройства эпюры напряжений, соответствующие варианту, когда сигналы ШИМ сформированы от пилообразного напряжения и фронты импульсов сигнала ШИМ совпадают с фронтами импульсов сигнала задающего генератора ШИМ.

Здесь x₂ - меандр частоты задающего генератора ШИМ, x₁ -сигнал ШИМ, y₁, у₂ - сигналы управляющих напряжений, поданных соответственно на первую обмотку 3 первого трансформатора 1 и на первую обмотку 6 второго трансформатора 2, а также напряжение сток-исток силового транзистора 9.

Управляющие сигналы y₁, у₂ попеременно подаются на первые обмотки трансформаторов 1, 2 соответственно, обеспечивая протекание тока через соответствующую обмотку во время действия импульса управляющего сигнала и трансформацию энергии во вторичную цепь, и отсутствие тока первичной цепи в паузе управляющего сигнала.

Пока длительность импульсов сигнала ШИМ не превышает половины периода следования, силовой транзистор 9 работает под управлением сигнала у₁, при этом управляющий сигнал y₁ на первой обмотке 6 второго трансформатора 2 отсутствует. Причем во время действия импульса управляющего сигнала и протекании тока в прямом направлении через первую обмотку 3 первого трансформатора 1 происходит открывание силового транзистора 9 током, протекающим через вторую обмотку 4 первого трансформатора 1 и диод 12, и запирание транзистора 10 током его третьей обмотки 5 через резистор 19. Обратное напряжение база-эмиттер транзистора 10 при этом фиксировано величиной падения напряжения на диоде 14 и переходе коллектор-база транзистора 11. Во время паузы управляющего напряжения открывается транзистор 10 за счет протекания прямого тока базы через резистор 19, одновременно закрывается диод 12, происходит форсированное запирание силового транзистора 9 и размагничивание трансформатора 1.

При увеличении длительности импульсов сигнала ШИМ свыше половины периода следования, совместно с трансформатором 1, но противофазно, под управлением сигнала y₂, вступает в работу трансформатор 2, причем фронт импульса сигнала, поданного на первую обмотку 6 трансформатора 2 совпадает со срезом импульса сигнала, поданного на первую обмотку 3 трансформатора 1. При этом при протекании тока в прямом направлении через первую обмотку 6 трансформатора 2 открывается диод 13, поддерживая открытое состояние транзистора 9, одновременно происходит открывание второго запирающего транзистора 11, который шунтирует переходом коллектор-эмиттер цепь базы первого запирающего транзистора 10, предотвращая его открывание током третьей обмотки 5 первого трансформатора 1, ток которой начинает протекать через резистор 19 и открытый второй запирающий транзистор 11, размагничивая тем самым первый трансформатор 1. По срезу импульса управляющего сигнала у₂ происходит запирание второго запирающего транзистора 11 током третьей обмотки 8 второго трансформатора 2, при этом обратное напряжение база-эмиттер транзистора 11 фиксируется величиной прямого падения напряжения на диоде 14, и одновременно открывание транзистора 10 током обмотки 8 через резистор 20 и диод 15. Происходит форсированное запирание транзистора 9 и размагничивание трансформатора 2. После паузы в момент прихода фронта следующего импульса сигнала ШИМ вступает в работу первый трансформатор 1 по сигналу y₁ и процесс повторяется.

При коэффициенте заполнения импульсов сигнала ШИМ, равным 1, оба трансформатора 1, 2 работают противофазно в режиме меандра с частотой задающего генератора ШИМ.

В случае формирования сигнала ШИМ с использованием напряжения треугольной формы устройство работает аналогично при выполнении условия соответствия фронтов импульсов сигнала ШИМ и сигнала управления, поданного на первую обмотку первого трансформатора.

На фиг.3 представлен пример построения логической части блока управления для формирования сигналов управления в соответствии с описанием и согласно фиг.2.

Вариант выполнения устройства управления транзисторным ключом для повышения помехоустойчивости имеет дополнительный резистор 23, подключенный между стоком силового 9 и базой первого запирающего 10 транзисторов. Этот резистор обеспечивает надежное закрывание силового транзистора 9 при отсутствии сигналов управления и, следовательно, предотвращение его открывания при воздействии на затвор импульсных помех.

Применение устройства управления транзисторным ключом позволяет расширить диапазон работы силовых ключей на МДП-транзисторах в схемах, где необходима гальваническая развязка цепей управления и силовых цепей, а также повысить кпд преобразователей за счет применения силовых МДП-транзисторов, имеющих более высокие динамические характеристики и меньшие статические потери по сравнению с биполярными транзисторами.

В настоящее время на предприятии ООО "Космос-ЭНВО" изготовлены опытные образцы предлагаемого устройства. Испытания подтвердили их работоспособность, надежность и высокий кпд.

Источники информации
1. Функциональные устройства систем электропитания наземной РЭА / В.В. Авдеев, В.Г. Костиков, А.М. Новожилов, В.И. Чистяков. Под ред. В.Г. Костикова. - М.: Радио и связь, 1990, с.72.

2. Кабелев Б.В. Высокочастотные конверторы на мощных МДП-транзисторах // Электронная техника в автоматике: Сб. статей / Под ред. Ю.И. Конева. - М.: Радио и связь, 1984, вып. 15, c.26.

3. Источники вторичного электропитания / В.А. Головацкий, Г.Н. Гулякович, Ю.И. Конев и др. Под ред. Ю.И. Конева. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Радио и связь, 1990, с.91.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для управления силовыми транзисторами вторичных источников электропитания с трансформаторной гальванической развязкой цепей управления от силовых целей. Технический результат: повышение кпд. Устройство содержит первый трансформатор с первой и второй обмотками, ШИМ, первый вывод второй обмотки подключен к управляющему выводу силового транзистора и коллектору первого запирающего транзистора. В устройстве в качестве силового транзистора применен МДП-транзистор, первый трансформатор выполнен трехобмоточным, дополнительно введены блок управления, второй трансформатор с первой, второй и третьей обмотками, второй запирающий транзистор, первый, второй, третий и четвертый диоды, первый, второй, третий, четвертый и пятый резисторы, при этом первые выводы вторых обмоток первого и второго трансформаторов подключены соответственно к анодам первого и второго диодов, катоды которых подключены к точке соединения управляющего вывода силового транзистора, коллектора первого запирающего транзистора и одного из выводов первого резистора, объединенные вторые выводы вторых обмоток первого и второго трансформаторов соединены с первым выводом третьей обмотки первого трансформатора, с другим выводом первого резистора, истоком силового транзистора, эмиттерами первого и второго запирающих транзисторов, анодом третьего диода и одним из выводов третьего резистора, и через второй резистор - со вторым выводом третьей обмотки второго трансформатора, второй вывод третьей обмотки первого трансформатора подсоединен через четвертый резистор к базе первого, коллектору второго запирающих транзисторов и катоду четвертого диода, анод которого через пятый резистор подсоединен ко второму выводу третьей обмотки второго трансформатора, первый вывод которой соединен с другим выводом третьего резистора, катодом третьего диода и базой второго запирающего транзистора, сигнал с ШИМ поступает на вход блока управления, управляющие импульсные сигналы которого y₁, у₂, поданные на первые обмотки трансформаторов, изменяются в соответствии с логическими выражениями где х₁ - сигнал ШИМ, х₂ - меандр с тактовой частотой задающего генератора ШИМ. Предусмотрено дополнительное введение резистора, соединяющего сток силового транзистора и базу первого запирающего транзистора. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Устройство управления транзисторным ключом, содержащее первый трансформатор с первой и второй обмотками, ШИМ, силовой транзистор и первый запирающий транзистор, отличающееся тем, что в качестве силового транзистора применен МДП-транзистор, первый трансформатор выполнен трехобмоточным, дополнительно введены блок управления, второй трансформатор с первой, второй и третьей обмотками, второй запирающий транзистор, первый, второй, третий и четвертый диоды, первый, второй, третий, четвертый и пятый резисторы, при этом первые выводы вторых обмоток первого и второго трансформаторов подключены соответственно к анодам первого и второй диодов, катоды которых подключены к точке соединения управляющего вывода силового транзистора, коллектора первого запирающего транзистора и одного из выводов первого резистора, объединенные вторые выводы вторых обмоток первого и второго трансформаторов соединены с первым выводом третьей обмотки первого трансформатора, с другим выводом первого резистора, истоком силового транзистора, эмиттерами первого и второго запирающих транзисторов, анодом третьего диода и одним из выводов третьего резистора, и через второй резистор - со вторым выводом третьей обмотки второго трансформатора, второй вывод третьей обмотки первого трансформатора подсоединен через четвертый резистор к базе первого, коллектору второго запирающих транзисторов и катоду четвертого диода, анод которого через пятый резистор подсоединен ко второму выводу третьей обмотки второго трансформатора, первый вывод которой соединен с другим выводом третьего резистора, катодом третьего диода и базой второго запирающего транзистора, сигнал с ШИМ поступает на вход блока управления, управляющие импульсные сигналы которого y₁, у₂, поданные на первые обмотки трансформаторов, изменяются в соответствии с логическими выражениями

где x₁ - сигнал ШИМ, x₂ - меандр с тактовой частотой задающего генератора ШИМ. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в него дополнительно введен резистор, соединяющий сток силового транзистора и базу первого запирающего транзистора.