СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ КЛЮЧОМ Российский патент 2006 года по МПК H02M1/08 

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к полупроводниковой технике и предназначено для формирования импульсного или непрерывного сигнала управления полупроводниковым ключом, изолированного от входной схемы управления.

Уровень техники.

Известно устройство, в котором передача сигнала управления и энергии для формирования управляющего сигнала полупроводникового ключа обеспечивается через единый элемент гальванической развязки - трансформатор связи. Устройство содержит входной преобразователь, трансформатор связи, детектор на полевых транзисторах.

Устройство, реализуемое на основе предложенного способа, обеспечивает возможность существенного увеличения напряжения изоляции. Устройство не требует дополнительного изолированного источника питания в цепи управления полупроводникового ключа, что дает существенные преимущества перед аналогичными системами с использованием таких источников питания (Каталог INTERNATIONAL RECTIFAIER, 2003 г., Р.WOOD, AN-950, статья «Драйвер на МОП-ПТ с трансформаторной развязкой обеспечивает большие значения скважности»).

Недостаток способа управления: низкая электромагнитная устойчивость, когда силовой ключ находится в выключенном состоянии, и отсутствие возможности формировать сигналы управления большой длительности.

Известны способы кодирования и декодирования информации, для того чтобы передать и воспроизвести изолированный цифровой сигнал.

Входной сигнал проходит через схему, которая дифференцирует фронты входного сигнала и управляет входными катушками соответствующего трансформатора сигналами «установить высокий уровень» или «установить низкий уровень». Выходные катушки соответствующих трансформаторов восстанавливают сигналы «установить высокий уровень» или «установить низкий уровень». Схема приемника восстанавливает исходную форму сигнала, при этом внутренняя схема опроса анализирует входной сигнал с заданной периодичностью и передает собственный сигнал «установить высокий уровень» или «установить низкий уровень» на случай сбоя устройства. Время восстановления системы определяется периодом работы внутренней схемы опроса.

Электромагнитная устойчивость обеспечивается шунтированием дополнительными ключами входных катушек трансформаторов в заданные интервалы времени согласно логике работы схемы и за счет относительно высокого уровня сигналов перехода «установить высокий уровень» или «установить низкий уровень», работы внутренней схемы опроса и анализа результата кругооборота сигнала через изоляционный барьер (US Patent №005952849, 14.09.1999, LOGIC ISOLATOR WITH TRANSIENT IMMUNITY; US Patent №00626600 В1, 17.07.2001, ISOLATOR FOR TRANSMITING LOGIC SIGNALS ACROSS AN ISOLATION BARRIER; US Patent №6525566 B2, 25.02.2003, ISOLATOR FOR TRANSMITING LOGIC SIGNALS ACROSS AN ISOLATION BARRIER).

Описанные выше способы изоляции сигнала управления требуют наличия изолированных источников питания на входе и выходе и по два трансформатора для передачи соответствующих логических уровней.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятый автором за прототип является способ управления, реализуемый полупроводниковым устройством, содержащим активный токовый ограничитель на основе аналого-импульсного преобразователя, изолирующий элемент связи и полупроводниковый ключ. Способ, реализуемый в этом устройстве, предусматривает за счет ограничения длительности импульсов через входную секцию элемента связи и изменения их частоты следования ограничение амплитуды импульсов тока на регулируемом пороговым элементом уровне (Патент РФ на изобретение №2206147 от 10.06.2003 г. «Входное устройство полупроводникового ключа»).

Недостатком способа управления, реализованного в этом устройстве, является ограниченная устойчивость к внешним электромагнитным полям для элемента связи на основе электромагнитного эффекта, обеспечиваемая только амплитудной или частотной фильтрацией новообращенного сигнала в цепи управления полупроводникового ключа, а также возможность неполного включения или выключения полупроводникового ключа.

Раскрытие изобретения.

Цель, которая может быть достигнута с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению надежности и стабильности характеристик управления полупроводниковым ключом.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе управления полупроводниковым ключом, заключающемся в преобразовании напряжения питания входной секции в импульсы тока через входную секцию трансформатора связи с ограничением амплитуды импульсов тока и изменении их частоты следования, и выделении на выходной секции трансформатора связи новообращенного сигнала управления полупроводникового ключа, в отличие от аналогов и прототипа, задают время нарастания амплитуды импульсов тока через входную секцию трансформатора связи до установленного уровня амплитуды с длительностью, не превышающей критического значения. Для включения или выключения полупроводникового ключа, или поддержания его во включенном или выключенном состоянии, контролируют по истечении заданного интервала времени и отсчитываемого от момента достижения напряжения одного направления, выделенного с выходной секции трансформатора связи, первого порогового уровня, факт превышения выделенным напряжением одного направления второго порогового уровня. При этом первый пороговый уровень устанавливают не превышающим собственного порогового напряжения полупроводникового ключа, а второй пороговый уровень устанавливают превышающим собственное минимально допустимое напряжение управления полупроводникового ключа. По результатам контроля регулируют напряжение одного направления, выделенное со стороны выходной секции трансформатора связи в цепи управления полупроводникового ключа.

Краткое описание чертежей.

На фиг.1 дан пример решения функциональной схемы полупроводникового устройства, реализующего изобретение.

На фиг.2 изображены временные диаграммы сигналов, поясняющие работу активного токового ограничителя 5 входной секции.

На фиг.3 изображены временные диаграммы сигналов в основных узлах устройства на основе функциональной схемы фиг.1 при модуляции и демодуляции входного сигнала управления 26 и формировании новообращенного сигнала управления 33.

На фиг.4 изображены временные диаграммы сигналов, поясняющие работу преобразователя формы сигналов управления 12 при низкой скорости нарастания напряжения на емкости 14.

На фиг.5 изображены временные диаграммы сигналов, поясняющие работу преобразователя формы сигналов управления 12 при высокой скорости нарастания напряжения на емкости 14.

На фиг.6 изображены временные диаграммы напряжения 30 на емкости 14 и новообращенного сигнала управления 33 для уровня напряжения питания 25 входной секции 5, недостаточного для включения полупроводникового ключа 22.

На фиг.7 изображены временные диаграммы сигналов управления 26 на емкости 14 и новообращенного сигнала управления 33 в условиях высокочастотной электромагнитной помехи.

На фиг.8 дан пример решения функциональной схемы блока анализа 16 полупроводникового устройства, реализующего изобретение.

На фиг.9 дан пример включения полупроводникового ключа 22 для управления тиристором 41.

Осуществление изобретения.

Примеры конкретных воплощений способа управления полупроводниковым ключом.

Пример 1. Входной логический сигнал преобразуется в последовательность импульсов тока через входную секцию трансформатора связи с ограниченной минимальной частотой следования с помощью активного токового ограничителя, обеспечивающего аналого-импульсное преобразование логического сигнала. Амплитуда импульсов тока непрерывно сравнивается с задаваемым уровнем ограничения амплитуды тока, при этом уровень ограничения амплитуды тока и частота импульсов изменяются в соответствии с заданной зависимостью от напряжения питания входной секции. При превышении заданного уровня ограничения амплитуды тока импульс тока прерывается на время, определяемое периодом следования импульсов. Тем самым ограничивается энергия, затрачиваемая на преобразование, и гарантируется работа трансформатора связи в заданном гистерезисном цикле в широком диапазоне изменения напряжения питания и характеристик самого трансформатора связи. Новообращенный сигнал снимается с выходной секции и выпрямляется, с помощью емкостного фильтра выделяется его постоянная составляющая, которая подвергается амплитудной фильтрации. Все перечисленные преобразования, управляемые входным логическим сигналом, дают преимущества, так как в результате всех вышеописанных действий в цепь управления полупроводникового ключа подается напряжение одного направления, неограниченной характеристиками трансформатора связи длительности и превышающее минимально допустимое напряжение управления полупроводникового ключа. Если амплитуда новообращенного сигнала управления недостаточна для полного включения полупроводникового ключа, то в цепи управления полупроводникового ключа устанавливается напряжение, не превышающее порогового напряжения полупроводникового ключа, определяемого уровнем амплитудной фильтрации. Если полупроводниковый ключ находится в выключенном состоянии, логический сигнал на входе соответствует состоянию «выключено», а на полупроводниковый ключ воздействует переходное напряжение с высокой скоростью нарастания напряжения, то в цепи управления полупроводникового ключа формируется коммутационное напряжение помехи, которое, начиная с определенного уровня, будет подавляться амплитудным фильтром.

Описанный способ управления имеет преимущества перед аналогами и прототипом, обеспечивает возможность четкого переключения и определенную электромагнитную и высокую коммутационную устойчивость полупроводникового ключа за счет амплитудной фильтрации новообращенного сигнала управления, а также возможность управления сигналами неограниченной длительности.

Кроме того, способ может обеспечить высокое быстродействие всех необходимых преобразований, так как реализуется безинерционный алгоритм, когда выключение или включение всех элементов в ходе преобразований производится только за счет непрерывного сравнения. Быстродействие способа ограничивается только временем срабатывания транзисторов, используемых в схемах устройства.

Недостаток описанного способа управления заключается в возможности постепенного накопления сигнала от мощной электромагнитной помехи или от переходного напряжения на элементах емкостного фильтра до уровня, превышающего уровень порога амплитудной фильтрации, и, как следствие этого процесса, ошибочном срабатывании полупроводникового ключа. Другой недостаток описанного способа заключается в том, что при недостаточно высоком напряжении питания входной секции включение полупроводникового ключа может пройти с большой задержкой за счет процесса постепенного заряда емкостного фильтра до уровня порога амплитудной фильтрации.

Пример 2. Входной сигнал, так же как и в примере 1, управляет работой активного ограничителя тока, который преобразует его в последовательность импульсов тока через входную секцию трансформатора связи. За счет изменения параметров импульса тока возможно существенное расширение диапазона изменения напряжения питания входной секцией при минимизации среднего потребляемого тока. Начиная с некоторого значения напряжения питания входной секции U_вх.пор, скорость нарастания импульсов тока превышает критическое значение:

Обеспечивают связь характеристик преобразования импульсов управления, изолированных друг от друга входной и выходной секций, и полупроводникового ключа:

- устанавливают оптимальное соотношение между допустимой минимальной частотой импульсов тока через входную секцию трансформатора связи и интегрирующими характеристиками выходной секции;

- интервал времени t_нар, отсчитываемый от момента достижения выделенным напряжением выходной секции первого порогового уровня, устанавливают соответствующим критической скорости нарастания амплитуды тока через входную секцию трансформатора связи при определенном минимальном напряжении питания входной секции U_вх.пор;

- первый пороговый уровень устанавливают не превышающим порогового напряжения полупроводникового ключа, но таким, при котором обеспечивается электропитание и работа элементов выходной секции;

- второй пороговый уровень, с которым сравнивается амплитуда напряжения, выделенного с выходной секции трансформатора связи через заданный интервал времени, устанавливают превышающим минимально допустимое напряжение управления полупроводникового ключа

- заданием амплитуды тока через первичную секцию трансформатора связи обеспечивают амплитуду выделенного напряжения со стороны выходной секции, превышающей второй пороговый уровень при определенном минимальном напряжении питания входной секции U_вх.пор.

После чего устанавливают контроль за фактом превышения напряжением, выделенным с выходной секции трансформатора связи, второго порогового уровня за интервал времени t_нар. Интервал времени отсчитывают от момента превышения напряжением первого порогового уровня. Если напряжение, выделенное с выходной секции трансформатора связи, превысило второй пороговый уровень, то оно подается в цепь управления полупроводникового ключа, если нет, то в цепи полупроводникового ключа устанавливается напряжение ниже первого порогового уровня.

Таким образом, электрический сигнал, подаваемый на входную секцию, оптимизируется во входной секции для его эффективной передачи за изоляционный барьер, а за счет контроля амплитуды и формы выделенного напряжения и его преобразований в выходной секции он принимает форму, необходимую для выполнения функции прямого управления полупроводниковым ключом.

По сравнению с примером 1 способ в примере 2 при тех же затратах энергии на преобразование допускает существенное увеличение электромагнитной устойчивости полупроводникового ключа и устанавливает четкое пороговое напряжение питания входной секции U_вх.пор, при котором полупроводниковый ключ переключается. Недостатком способа является повышенное время задержки выключения полупроводникового ключа за счет времени разряда емкости интегрирующей цепи выходной секции до второго порогового уровня, после выключения сигнала управления полупроводниковым ключом со стороны входной секции.

Пример 3. Преобразования входного сигнала во входной секции аналогичны преобразованиям в примере 2. Отличие от примера 2 заключается в том, что в выходной секции вместо использования ее интегрирующих характеристик для выделения постоянной составляющей новообращенного сигнала используют специальный таймер, формирующий дополнительный временной интервал. Сигнал о превышении амплитудой новообращенного импульсного сигнала управления второго порогового уровня за заданный интервал времени запускает таймер, дающий сигнал на включение полупроводникового ключа. Если после завершения дополнительного временного интервала на таймер не поступает очередной сигнал о превышении новообращенным импульсным сигналом второго порогового уровня, то формируется сигнал на выключение полупроводникового ключа. Дополнительный временной интервал должен превышать период следования импульсов тока через входную секцию трансформатора связи, а новообращенный сигнал одного направления должен колебаться от первого до второго порогового уровня. Минимально допустимое напряжение питания таймера должно быть ниже первого порогового уровня. По сравнению с примером 2 использование таймера уменьшает время задержки выключения полупроводникового ключа. Недостаток - усложнение выходной секции полупроводникового ключа и увеличение потерь на преобразование сигнала.

Пример 4. При наличии входного сигнала управления включается первый активный ограничитель тока через входную секцию первого трансформатора связи. При отсутствии сигнала управления включается второй ограничитель тока через входную секцию второго трансформатора связи. Сигналы, снимаемые с выходных секций трансформаторов связи, преобразовываются аналогично преобразованиям, описанным в примере 2. Причем новообращенный сигнал, выделенный с первого трансформатора связи, включает полупроводниковый ключ, а новообращенный сигнал, выделенный со второго трансформатора связи, выключает полупроводниковый ключ с помощью дополнительного ключа.

Способ допускает и другие варианты, например введение дополнительных функций логической обработки новообращенного сигнала по состояниям дополнительных пороговых уровней или дополнительных новообращенных сигналов управления, но в отличие от примера 2, в остальных вариантах увеличиваются потери энергии на преобразование сигналов.

Наделение функциями самоорганизации как входной, так и изолированной от нее выходной секции, а также связь между параметрами преобразования сигналов в изолированных секциях значительно повышает надежность управления полупроводниковым ключом и обеспечивает стабильность характеристик устройств, реализованных на основе предлагаемого способа управления.

Пример реализации способа управления полупроводниковым ключом с помощью устройства.

Реализуют способ управления полупроводниковым ключом с помощью полупроводникового устройства. Вариант функциональной схемы полупроводникового устройства для осуществления способа управления полупроводниковым ключом (согласно примеру 2) показан на фиг.1.

Устройство содержит корпус 1, выводы для подключения напряжения питания входной секции 2, 3, дополнительный вывод логического управления 4, входную секцию 5 на основе активного ограничителя тока, выводы 6, 7 для подключения входной секции 8 трансформатора связи, выходной секции 9 трансформатора связи, выводов 10, 11 для подключения к выходной секции 9 трансформатора связи элементов выходной секции 12, образующих преобразователь формы сигнала управления. Выходная секция 12 содержит диод 13, подключенный одним выводом к выводу 10 выходной секции трансформатора связи, а вторым выводом к емкости 14 и контрольной точке 15, к этой же точке подключен блок анализа 16, первый токоограничивающий каскад 17 и один из выводов диода 18, параллельно которому подключен токоограничивающий каскад 17. Вторая точка соединения токоограничивающего каскада 17 и диода 18 подключена к первому выводу дополнительного полупроводникового ключа 19, контрольной точке 20, второму токоограничивающему каскаду 21 и выводу управления полупроводникового ключа 22. Выход блока анализа 16 подключен ко второму выводу дополнительного полупроводникового ключа 19. К выводам 23 и 24 полупроводникового ключа 22 подводится регулируемое напряжение, причем к выводу 24 также подключены: вывод 11 выходной секции трансформатора связи, второй вывод емкости 14, третий вывод блока анализа 16, третий вывод дополнительного полупроводникового ключа 19 и второй вывод второго токоограничивающего каскада 21.

Блок анализа 16 (фиг.8) содержит блок задержки 34, делитель напряжения на резисторах 35 и 36, источник опорного напряжения 37, компаратор напряжения 38, токоограничивающий резистор 39.

Устройство реализует способ управления следующим образом.

В фазе включения полупроводникового ключа 22 напряжение питания входной секции 25 на шинах 2 и 3 преобразуют в последовательность импульсов тока 27 с ограниченной минимальной частотой следования, которые пропускают через входную секцию 8 трансформатора связи. При этом обеспечивают ограничение 28 амплитуды импульсов тока 27 за счет регулирования длительности импульсов тока на меняющемся в зависимости от напряжения питания 25 уровне ограничения 28. На фиг.2 показано, как при изменении напряжения питания входной секции 25 и наличии сигнала 26 на включение полупроводникового ключа 22 изменяются параметры импульсов тока 27 через входную секцию 8 трансформатора связи. При увеличении напряжения питания 25 увеличивается уровень ограничения амплитуды 27, увеличивается период следования и уменьшается длительность импульсов 27. Для формирования фазы включения скорость нарастания () импульсов тока 27 не должна быть меньше критического значения:

Из фиг.2 следует, что переход в фазу включения возможен, начиная с определенной амплитуды напряжения питания входной секции 5, которая определяет пороговое напряжение питания, при превышении которого полупроводниковый ключ 22 включится:

U_вх≥u_вх.пор - зона включения

U_вх≤u_вх.пор - зона выключения.

Причем

где L_{вх.секц} - индуктивность входной секции при заданной длительности и амплитуде импульсов тока 27.

Для формирования фазы выключения полупроводникового ключа 22 логический сигнал 26 отключают и импульсы тока 27 прерываются.

На фиг.3 изображены временные диаграммы сигналов в основных узлах устройства на основе функциональной схемы фиг.1 при модуляции и демодуляции входного сигнала управления 26 и формировании новообращенного сигнала управления 33.

Независимо от того, находится полупроводниковый ключ 22 в фазе включения или выключения, из переменного напряжения 29, вызванного изменением магнитного потока в витках секций 8 и 9, снимаемого с выходной секции 9, напряжение одного направления выделяется диодом 13 и поступает на емкость 14. Напряжение, которое может появиться в контрольной точке 20 со стороны полупроводникового ключа 22, вызванное коммутационными помехами, через диод 18 также поступает на емкость 14.

После превышения напряжения на емкости 14 первого порогового уровня 31, с заранее определенной задержкой t_зад, начинается сравнение напряжения на емкости 14 с опорным уровнем (входит в состав блока анализа 16 и на фиг.1 не показан), задающим второй пороговый уровень 32 посредством блока анализа 16.

Первый пороговый уровень 31 определяется минимальным напряжением, с которого начинает работать блок анализа 16 и не превышает пороговый уровень включения полупроводникового ключа 22.

Второй пороговый уровень 32 определяется минимально допустимым напряжением управления полупроводникового ключа 22 и падением напряжения на первом токоограничивающем элементе 17 при выключенном состоянии ключа 19. Из фиг.3 следует, что минимальная задержка выключения сигнала 33 обеспечивается при напряжении в контрольной точке 15 на момент перехода в фазу выключения, равном или ниже второго порогового уровня 32.

При низкой скорости нарастания напряжения на емкости 14, при которой напряжение 30 в контрольной точке 15 не достигает через интервал задержки t_зад второго порогового уровня 32, ключ 19, управляемый блоком анализа 16, шунтирует цепь управления в контрольной точке 20 (см. фиг.4).

При высокой скорости нарастания напряжения на емкости 14 напряжение 30 в контрольной точке 15 достигает по завершении интервала t_зад второго порогового уровня 32, ключ 19 остается разомкнутым и напряжение 30 подается через первый токоограничивающий элемент 17 в контрольную точку 20, где оно делится между первым токоограничивающим элементом 17 и вторым токоограничивающим элементом 21 (см. фиг.5). Нарастание напряжения t_нар в контрольной точке 20 происходит с постоянной времени, определяемой сопротивлением первого токоограничивающего элемента 17 и входной емкостью полупроводникового ключа 22. После завершения фазы включения полупроводникового ключа 22 напряжение 30 начинает разряжаться через первый и второй токоограничивающие элементы 17 и 21. После снижения напряжения 30 ниже второго порогового уровня 32 блок анализа 16 включает дополнительный ключ 19, который шунтирует цепь управления полупроводникового ключа 22 в контрольной точке 20.

В зависимости от напряжения питания 25 на выводах 2 и 3 для подключения напряжения питания входной секции 5, изобретение может обеспечить состояние амплитуды напряжения в контрольной точке 20 либо выше второго порогового уровня 32, либо ниже первого порогового уровня 31. Такую возможность обеспечивают, например, выбором величины и соотношения между токоограничивающими элементами 17 и 21, а также временем задержки t_зад таким образом, чтобы исключить возможность накопления напряжения 30 от импульса к импульсу, как это показано на фиг.6.

Из фиг.2 и фиг.6 следует, что при U_вх≤U_вх.пор, и следовательно, не обеспечивающего заданную скорость нарастания импульсов тока 27, напряжение в контрольной точке 20 не превышает первого порогового уровня 31 и полупроводниковый ключ 22 остается в выключенном состоянии.

На фиг.7 изображены временные диаграммы сигналов управления 26 на емкости 14 и новообращенного сигнала управления 33 в условиях помехи с частотой, близкой к частоте тока входной секции.

Новообращенный сигнал управления 33 полупроводникового ключа 22, превышающий второй пороговый уровень 32, формируется и поддерживается при достижении критической скорости изменения магнитного потока между секциями 8 и 9 трансформатора связи и амплитуде изменения магнитного потока, обеспечивающих формирование за заданный интервал времени задержки t_зад заданной амплитуды напряжения на емкости:

и

или

где

Uc - амплитуда напряжения на емкости 14;

Uc_{вкл min} - напряжение на емкости 14, соответствующее второму пороговому уровню 32;

- критическая скорость нарастания напряжения на емкости 14;

- критическая скорость изменения магнитного потока.

При недостаточной скорости изменения магнитного потока через витки выходной секции 9 трансформатора связи и заданной амплитуде его изменения напряжение на емкости 14 мало и в цепи управления полупроводникового ключа устанавливается уровень напряжения ниже первого порогового уровня 31.

Напряжение на емкости 14 разряжают через первый токоограничивающий каскад 17 за время, не превышающее периода импульсов тока через входную секцию 8 трансформатора связи.

Величину емкости 14 выбирают из условия ее заряда в фазе включения полупроводникового ключа 22 до уровня, превышающего второй пороговый уровень, за нормируемое время задержки t_зад, при заданном минимально допустимом напряжении питания входной секции 5.

Входной сигнал управления 26 полупроводниковым ключом 22 подают на входную секцию 5 в виде напряжения питания на выводах 2, 4 и/или в виде логического сигнала управления на выводы 4, 3 и обеспечивают с его помощью следующие преобразования:

- преобразуют сигнал управления 26 в последовательность импульсов тока 27 через входную секцию 8 трансформатора связи, длительность последовательности импульсов тока 27 определяется длительностью сигнала управления 26, минимальную частоту внутреннего аналого-импульсного преобразователя входной секции 5 определяют исходя из требований к допустимой задержке и по искажению длительности копируемого сигнала управления 26, а скорость нарастания импульсов тока 27 устанавливают не менее критической скорости нарастания тока;

- при частоте внешнего управляющего сигнала управления полупроводниковым ключом 22 ниже частоты внутреннего аналого-импульсного преобразователя входной секции 5 частоту тока импульсов 27 во входной секции 8 трансформатора связи устанавливают соответствующей частоте работы внутреннего аналого-импульсного преобразователя (на фиг.1 не показан);

- при частоте внешнего управляющего сигнала управления 26 выше частоты внутреннего аналого-импульсного преобразователя входной секции 5 частоту тока импульсов 27 определяют соответствующей частоте внешнего управляющего сигнала;

- частоту импульсов через входную секцию 8 трансформатора связи изменяют в зависимости от амплитуды напряжения питания 25;

- соотношение между напряжением питания 25 и частотой импульсов 27 определяют характеристикой 28 входной секции 5;

- длительность импульсов тока 27 определяют амплитудой тока через входную секцию 8 трансформатора связи;

- за счет магнитной связи между секциями 8 и 9 трансформатора связи, импульсами тока 27 на выводах 10 и 11 формируют импульсы переменного напряжения;

- выделяют напряжение одного направления, снимаемое с выводов 10, 11 с помощью диода 13;

- заряжают емкость 14 со стороны выводов 10, 11 и/или от напряжения помехи, снимаемой с контрольной точки 20;

- подают напряжение с емкости 14 через первый токоограничивающий каскад 17 в цепь управления полупроводникового ключа 22 в контрольную точку 20;

- напряжение в контрольной точке 20 делят между первым и вторым токоограничивающими каскадами 17 и 21;

- при превышении на емкости 14 первого порогового уровня 31 через фиксированное время задержки t_зад включают блок анализа 16;

- в зависимости от полученного соотношения между вторым пороговым уровнем 32 и напряжением в контрольной точке 15, включают или выключают дополнительный ключ 19;

- после прекращения фазы включения сигнал 26 прерывают, последовательность импульсов тока 27 прерывают, соответственно напряжение на емкости 14 снижается ниже второго порогового уровня, дополнительный полупроводниковый ключ 19 включается, полупроводниковый ключ 22 выключается.

Полупроводниковый ключ 22 относится к приборам, управляемым напряжением. Из фиг.9 следует, что имеется возможность управлять полупроводниковыми приборами, управляемыми током, например тиристорами. Как показано на фиг.9, полупроводниковый ключ 22, включенный за счет резистора 40 в режиме ограничителя тока, подает в цепь управления полупроводникового ключа 41 ток, формируемый за счет напряжения, прикладываемого к выводам 42 и 43. Ток через цепь управления ключа 41 протекает с момента подачи напряжения на цепь управления полупроводникового ключа 22 до момента включения полупроводникового ключа 41.

Технический результат, который достигается изобретением, сводится к созданию технологии управления полупроводниковым ключом, обеспечивающей возможность создания устройств с изоляцией на основе магнитной связи. Изобретение гарантирует, что сигнал 33 повторит входной сигнал 26 с заданной задержкой и заданным искажением его длительности, с возможностью изменения длительности сигнала 26 вплоть до постоянной составляющей, а амплитуда сигнала 33 обеспечит полное включение полупроводникового ключа 22.

Изобретение превосходит возможности известных технологий для управления полупроводниковым ключом без использования дополнительного источника питания в изолированной выходной секции полупроводникового ключа в части стабильности характеристик и надежности. Динамические характеристики сигнала управления 26 ограничиваются только быстродействием транзисторов, которые применяются в устройстве, реализующем изобретение.

Рассмотрев возможный вариант технической реализации изобретения, следует учитывать возможность его реализации и в других схемах или комбинациях схем.

Изобретение допускает возможность объединения устройств в многоканальные модули управления. Например, с одним источником управления и источником питания на входе и множественными изолированными друг от друга выходами.

На основе изобретения реализовано работоспособное многоканальное устройство для управления ключами на основе МДП-транзисторов с входной емкостью до 1000 пФ и следующими сочетаниями характеристик и предельно допустимых значений:

- пороговое входное напряжение (U_вх.пор) регулируется от 3 до 30 В при потребляемом токе на один канал до 10 мА при температуре корпуса 25°С и 20 мА при температуре корпуса 125°С;

- время включения и выключения не более 1 мкс;

- напряжение изоляции между входом и выходом 10 кВ;

- рабочее синфазное напряжение до 2500 В;

- проходная емкость не более 5 пФ;

- время фазы включения от 2 мкс до непрерывного включения;

- критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии ключа не мене 2500 В/мкс.

При этом первый пороговый уровень составлял 1,8 В; второй пороговый уровень составлял 9 В, частота преобразования от 200 до 500 кГц.

Устройство сохраняло работоспособность при воздействии на его трансформатор связи электромагнитных полей частотой 50 Гц при размещении его непосредственно на силовых шинах с токами до 10 кА.

Используя возможности настоящего изобретения, возможно создать изолирующие устройства для управления полупроводниковыми ключами с существенными преимуществами по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями.

Изобретение относится к полупроводниковой технике и предназначено для формирования импульсного или непрерывного сигнала управления полупроводниковым ключом, изолированного от входной схемы управления. Технический результат изобретения: повышение надежности и стабильности характеристик управления полупроводниковым ключом. Сущность: способ заключается в преобразовании напряжения питания входной секции в импульсы тока через входную секцию трансформатора связи с ограничением амплитуды импульсов тока за счет регулирования их длительности и частоты следования и выделении на выходной секции трансформатора связи новообращенного сигнала управления полупроводникового ключа. Для этого задают время нарастания амплитуды импульсов тока через входную секцию трансформатора связи до заданного уровня с длительностью, не превышающей критического значения, а для включения или выключения полупроводникового ключа, или поддержания его во включенном или выключенном состоянии, контролируют по истечении заданного интервала времени, отсчитываемого от момента достижения напряжением одного направления, выделенным с выходной секции трансформатора связи, первого порогового уровня, факт превышения выделенным напряжением одного направления второго порогового уровня, при этом первый пороговый уровень устанавливают не превышающим порогового напряжения полупроводникового ключа, а второй пороговый уровень устанавливают превышающим минимально допустимое напряжение управления полупроводникового ключа, а по результатам контроля регулируют напряжение одного направления, выделенное со стороны выходной секции трансформатора связи в цепи управления полупроводникового ключа. 9 ил.

Способ управления полупроводниковым ключом с изолированными входной и выходной секциями и трансформатором связи на основе электромагнитного эффекта между ними, заключающийся в преобразовании напряжения питания входной секции в импульсы тока через входную секцию трансформатора связи, с ограничением амплитуды импульсов тока за счет регулирования их длительности и частоты следования и выделении на выходной секции трансформатора связи новообращенного сигнала управления полупроводникового ключа, отличающийся тем, что задают время нарастания амплитуды импульсов тока через входную секцию трансформатора связи до заданного уровня с длительностью, не превышающей критического значения, а для включения, или выключения полупроводникового ключа, или поддержания его во включенном или выключенном состоянии контролируют по истечении заданного интервала времени, отсчитываемого от момента достижения напряжением одного направления, выделенным с выходной секции трансформатора связи, первого порогового уровня, факт превышения выделенным напряжением одного направления второго порогового уровня, при этом первый пороговый уровень устанавливают не превышающим порогового напряжения полупроводникового ключа, а второй пороговый уровень устанавливают превышающим минимально допустимое напряжение управления полупроводникового ключа, а по результатам контроля регулируют напряжение одного направления, выделенное со стороны выходной секции трансформатора связи в цепи управления полупроводникового ключа.