УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ КЛЮЧОМ Российский патент 2003 года по МПК H01L31/16 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к силовым полупроводниковым преобразователям электрической энергии с изоляционным барьером между выводами управления и выводами для подключения регулируемого напряжения, и может быть использовано в силовых приборах систем промышленного электропривода и автоматики.

Известен развязывающий усилитель, содержащий выводы входа, на которые подается управляющее воздействие, модулятор, элемент связи, например импульсный трансформатор или оптрон, обеспечивающий изоляционный барьер между входными и выходными секциями, демодулятор, выводы выхода, а также расположенные со стороны входной секции выводы входа для питания модулятора и преобразователя, обеспечивающего питание выходной секции через дополнительный импульсный трансформатор (А. Дж. Пейтон, В.Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: Бином, 1994. С.41-43.).

На основе такого устройства строятся промышленные развязывающие усилители.

Недостатком устройства является наличие дополнительного преобразователя для питания выходной секции.

Известен полупроводниковый оптоэлектронный ключ, содержащий в цепи излучающего диода ограничитель тока на резисторе, который позволяет использовать для управления ключом постоянное напряжение в диапазоне, определяемом минимальным и максимальным током излучающего диода, при котором гарантируется работа оптоэлектронного устройства. В качестве излучающего диода используется микромощный излучающий диод оптотранзистора (Каталог фирмы ОРТО 22. Solid state relays. Power series -120/240 volt. WEB SITE: http://WWW. opto22.com).

Недостатком силовых ключей, использующих в качестве элементов связи микромощные излучающие диоды с ограничителем тока, является недостаточный диапазон регулируемого напряжения и низкая стойкость к коммутационным выбросам, так как в этих устройствах используются вспомогательные элементы, установленные в цепи регулируемого напряжения, в том числе и для питания элементов выходной секции.

Известен ключ на основе силового оптотиристора, который содержит выводы входа управления, в цепь которых включен излучающий диод, и выводы выхода для регулируемого напряжения, в цепи которых включен силовой фототиристор. В силовом опотиристоре не требуется устанавливать вспомогательные элементы управления в цепи регулируемого напряжения. На основе этих элементов созданы и серийно выпускаются оптотиристорные приборы, имеющие возможность регулировать напряжения до 3000 В. (Тиристоры оптронные потенциальные ТО425-10, ТО425-12.5, ТО425-16. Технические условия ТУ 16-00 ИДЖК. 432.365.003.-00).

Недостатки полупроводниковых ключей на основе силовых оптотиристорных приборов:
- для переключения силового фототиристора требуется значительная направленная мощность инфракрасного излучения излучающего диода;
- на излучающий диод оптоэлектронного прибора для повышения его эффективности вынуждены подавать не постоянный ток, а импульсы тока, не вызывающие разрушающий перегрев кристалла излучающего диода, поступающие от системы управления;
- разброс отпирающих токов управления оптотиристоров одной серии достигает 1000%.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятым автором за прототип является устройство управления полупроводниковым ключом, включенное между выводами для подачи сигналов управления и полупроводниковым ключом, содержащее активный токовый ограничитель сигнала управления и элемент связи на микромощном излучающем диоде оптотранзистора, обеспечивающий управление полупроводниковым ключом через изоляционный барьер, установленный между входными и выходными секциями (Каталог фирмы CRYDOM. Solid state relays. AC Output Buffered Modules. WEB SITE: http: //WWW. crydom.com).

Устройство позволяет использовать для управления ключом постоянное напряжение в диапазоне от 5 до 15 В.

Недостатком устройства является то, что оно не позволяет существенно расширить функциональные возможности полупроводникового ключа, так как в цепи регулируемого напряжения должны устанавливаться вспомогательные элементы управления, ограничивающие возможности полупроводникового ключа.

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению надежности и расширению функциональных возможностей полупроводникового ключа.

Технический результат достигается с помощью известного устройства управления полупроводниковым ключом, содержащего выводы входа для подключения постоянного напряжения, активный токовый ограничитель, в цепи которого установлен элемент связи, управляющий полупроводниковым ключом через изоляционный барьер, который установлен между входными и выходными секциями полупроводникового ключа. Устройство снабжено по крайней мере одним аналого-импульсным преобразователем и по крайней мере одним пороговым элементом, образующими активный токовый ограничитель, и по крайней мере одним элементом связи, выполненным в виде излучающего диода, генерирующего излучение в фоточувствительную область полупроводникового ключа и/или импульсного трансформатора, одна из обмоток которого соединена с цепью управления полупроводникового ключа.

Аналого-импульсный преобразователь активного токового ограничителя содержит микросхему, включающую источник опорного напряжения, генератор импульсов, управляемый компаратором и подключенный к генератору импульсов времязадающим конденсатором, выход генератора импульсов подключен к управляющему входу мощного быстродействующего ключа микросхемы, один вывод которого подключается к элементу связи, второй вывод подключается к одному из входов компаратора микросхемы и конденсатору, параллельно которому подключен разрядный резистор; второй вход компаратора микросхемы подключен к источнику опорного напряжения, второй вывод элемента связи подключен к одному из выводов для подключения постоянного напряжения, а пороговый элемент образован стабилитроном, включенным между выводом для подключения постоянного напряжения и точкой соединения конденсатора и входа компаратора микросхемы.

В устройстве установлен по крайней мере один дополнительный вывод для подключения логических сигналов управления.

На фиг.1 дана функциональная схема входного устройства.

На фиг. 2 дан вариант функциональной схемы аналого-импульсного преобразователя устройства управления.

На фиг. 3 дана электрическая схема фототиристорного ключа переменного тока с устройством управления.

На фиг.4 дана электрическая схема тиристорного ключа переменного тока с устройством управления.

На фиг. 5 дана электрическая схема высоковольтного тиристорного ключа, запускаемого входным устройством.

На фиг.6 дана электрическая схема оптотиристорного модуля, запускаемого входными устройствами.

Устройство управления полупроводниковым ключом 1 содержит вывод входа 2 для подключения общего провода, вывод входа 3 для подключения источника постоянного напряжения; может быть установлен по крайней мере один дополнительный вывод входа 4 для подключения управляющего логического сигнала, выводы подключены к аналого-импульсному преобразователю с пороговым элементом 5, и элемент связи 6 с полупроводниковым ключом 7, подключенный в цепь выхода аналого-импульсного преобразователя (см. фиг.1).

Аналого-импульсный преобразователь 5 содержит микросхему 8, включающую источник опорного напряжения 9, генератор импульсов 10 с времязадающем конденсатором 11, управляемый компаратором 12, выход генератора импульсов 10 с времязадающем конденсатором 11 подключен к управляющему входу мощного быстродействующего ключа 13, один вывод которого подключается к элементу связи 6, второй вывод подключается к одному из входов компаратора 12 и конденсатору 14, параллельно которому подключен разрядный резистор 15; к точке соединения одного из входов компаратора 12 и конденсатора 14 подключен анод стабилитрона 16, выполняющего функцию порогового элемента; другой вход компаратора 12 подключен к источнику опорного напряжения 9, второй вывод элемента связи подключен к выводу 3, к которому так же подключен катод стабилитрона 16, между дополнительным выводом входа 4 и точкой соединения времязадающего конденсатора 11 и генератора импульсов 10 установлен разделительный диод 17 (см. фиг.2). Элемент связи 6 содержит излучающие диоды 18, управляющие полупроводниковым ключом 7 (см. фиг. 3, фиг.5 и фиг.6), импульсные трансформаторы 19, управляющие полупроводниковым ключом 7 (см. фиг. 4).

Устройство управления полупроводниковым ключом работает следующим образом.

При подаче напряжения на выводы 2, 3 аналого-импульсного преобразователя 5 в цепи элемента связи 6 формируются импульсы тока, амплитуда, длительность и частота которых определяются как параметрами аналого-импульсного преобразователя 5, так и амплитудой напряжения на выводах 2, 3 и сопротивлением элемента связи 6.

При подаче напряжения на выводы 3 и 2 генератор импульсов 10 открывает быстродействующий ключ 13, и через элемент связи 6 начинает протекать ток, который заряжает конденсатор 14. При заряде конденсатора 14 до уровня напряжения, задаваемого источником опорного напряжения 9, компаратор 12 выключает генератор импульсов 10, ток через элемент связи 6 прерывается, а конденсатор 14 разряжается через разрядный резистор 15. Через интервал времени, определяемый времязадающим конденсатором 11, генератор 10 вновь откроет быстродействующий ключ 13. Амплитуда и длительность импульсов тока через элемент связи 6 определяются параметрами постоянной времени элементов 14 и 15, значением емкости времязадающего конденсатора 11, уровнем опорного напряжения источника 9, величиной напряжения на выводах 2 и 3 и комплексным сопротивлением элемента связи 6. При росте тока через элемент связи 6, обусловленном ростом напряжения на выводах 2 и 3 и/или падением комплексного сопротивления элемента связи 6, конденсатор 14 заряжается быстрее, и соответственно уменьшается длительность импульсов тока через элемент связи 6. При росте напряжения на выводах 2 и 3 до напряжения пробоя стабилитрона 16 конденсатор 14 быстро заряжается обратным током стабилитрона 16, компаратор 12 отключает генератор импульсов 10 и ток через элемент связи 6 прекращается. При подаче на вывод 4 напряжения, превышающего пороговое напряжение разделительного диода 17, генератор импульсов 10, выключается.

При использовании в качестве элемента связи 6 излучающего диода 18 (см. фиг. 3, фиг.5 и фиг.6) обеспечивается формирование импульсов излучения, направленных в фоточувствительную область фототиристора ключа 7. За счет поддержания устройством управления заданного соотношения параметров импульсов тока через излучающий диод устройства связи 6 исключается его перегрев, с одной стороны, и удается получить короткие, но мощные импульсы излучения, с другой стороны, которые переключают фототиристор ключа 7 в состояние высокой проводимости, как только наведенный фототок превысит уровень тока включения фототиристора ключа 7.

При использовании в качестве элемента связи 6 импульсного трансформатора 19 (см. фиг.4) обеспечивается формирование импульсов переменного тока на его вторичной обмотке, которая подключена между управляющим электродом тиристора и его катодом.

За счет поддержания устройством управления 1 заданного соотношения параметров импульсов тока через импульсный трансформатор 19 исключается его намагничивание при минимальной индуктивности обмоток, что упрощает конструкцию импульсного трансформатора 19, с одной стороны, и удается получить короткие, но мощные импульсы тока в цепи управления, с другой стороны, которые переключают тиристор ключа 7 в состояние высокой проводимости, как только амплитуда тока управления в цепи управляющего электрода превысит уровень отпирающего тока управления (см. фиг.4).

Повышенная надежность устройства управления 1 достигается за счет одновременного контроля уровня входного напряжения пороговым устройством 16 и формированием через элемент связи 6 выходных импульсов тока с ограниченной минимальной частотой и стабилизированным соотношением между длительностью импульса тока и его амплитудой, независимо от изменения входного напряжения и параметров нагрузки.

Устройство управления полупроводниковым ключом позволило создать силовые полупроводниковые преобразователи электрической энергии с изоляционным барьером между выводами управления и выводами для подключения регулируемого высокого напряжения с расширенными функциональными возможностями по цепи управления.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет преимущества.

Повышается эффективность использования и возможности элемента связи, например, излучающего диода и/или импульсного трансформатора, управляющих полупроводниковым ключом через изоляционный барьер между входом и выходом полупроводникового ключа, что расширяет возможности полупроводникового ключа, при этом предоставляется возможность увеличения изоляционного барьера, уменьшения проходной емкости, снижаются требования к чувствительности полупроводникового ключа.

Изготовлены различные варианты устройства управления полупроводниковым ключом, при этом скважность импульсов управления определялась исходя из интегрирующих характеристик цепи управления.

Изготовлены устройства в виде дискретных монолитных модулей с импульсными трансформаторами для управления традиционными тиристорами (SCR) на токи до 100 А с изоляционным барьером между входной и выходной секцией более 10 кВ (эфф.), проходной емкостью не более 5 пФ, напряжением питания от 3 до 12 В и потребляемым током до 120 мА (12 В) и частотой повторения импульсов до 200 кГц. Модули управления планируется использовать для управления тиристорным ключом статического преобразователя электроэнергии электропоездов.

Изготовлены устройства в составе оптотиристорного модуля типа МТОТО (см. фиг.3 и фиг.6), при этом устройство управления размещается на одной печатной плате с излучающими диодами, имеет минимальные габариты, что позволяет использовать традиционный корпус, но после проведенной модернизации модуль стал действительно функционально законченным устройством. Включение на активную нагрузку обеспечивалось уже при длительности импульса управления 500 нс и напряжении между анодом и катодом фототиристора всего 2 В, что невозможно реализовать для устройства управления, принятого за прототип. Модуль с устройством управления может использоваться вместо выпускаемых уже 20 лет модулей типа МТОТО.

Изготовлено устройство в виде дискретного монолитного модуля с импульсными трансформаторами для управления полупроводниковыми ключами на биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT) и МДП-транзисторах (MOSFET).

Возможно примененные устройства управления для запуска и отключения ключей на основе запираемых тиристоров (GТО), а в будущем - для запираемых тиристоров с полевым управлением.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к силовым полупроводниковым преобразователям электрической энергии, и может быть использовано в силовых приборах систем промышленного электропривода и автоматики. Технический результат: повышение надежности и расширение функциональных возможностей полупроводникового ключа. Сущность: устройство управления полупроводниковым ключом содержит вывод входа для подключения общего провода, второй вывод входа для подключения источника постоянного напряжения; может быть установлен по крайней мере еще один дополнительный вывод входа для подключения управляющего логического сигнала, выводы подключены к аналого-импульсному преобразователю с пороговым элементом, и элемент связи с полупроводниковым ключом, подключенный в цепь выхода аналого-импульсного преобразователя. Также предложена схема аналого-импульсного преобразователя устройства управления. 2 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Устройство управления полупроводниковым ключом, содержащее выводы входа для подключения постоянного напряжения, активный токовый ограничитель, в цепи которого установлен элемент связи, управляющий полупроводниковым ключом через изоляционный барьер, который установлен между входными и выходными секциями полупроводникового ключа, отличающееся тем, что оно снабжено по крайней мере одним аналого-импульсным преобразователем и по крайней мере одним пороговым элементом, образующими активный токовый ограничитель, и по крайней мере одним элементом связи, выполненным в виде излучающего диода, генерирующего излучение в фоточувствительную область полупроводникового ключа и/или импульсного трансформатора, одна из обмоток которого соединена с цепью управления полупроводникового ключа. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что аналого-импульсный преобразователь активного токового ограничителя содержит микросхему, включающую источник опорного напряжения, генератор импульсов, управляемый компаратором и подключенным к генератору импульсов времязадающим конденсатором, выход генератора импульсов подключен к управляющему входу быстродействующего ключа микросхемы, один вывод которого подключается к элементу связи, второй вывод - к одному из входов компаратора микросхемы и конденсатору, параллельно которому подключен разрядный резистор; второй вход компаратора микросхемы подключен к источнику опорного напряжения, второй вывод элемента связи - к одному из выводов для подключения постоянного напряжения, а пороговый элемент образован стабилитроном, включенным между выводом для подключения постоянного напряжения и точкой соединения конденсатора и входа компаратора микросхемы. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем установлен по крайней мере один дополнительный вывод для подключения логических сигналов управления.