Устройство и способ управления высоковольтным полупроводниковым коммутирующим устройством Российский патент 2020 года по МПК H03K17/424 

Изобретение относится к области импульсной техники, в частности к импульсным источникам электропитания и полупроводниковым коммутирующим устройствам для коммутации напряжения в высоковольтных устройствах.

Известна полезная модель «блок транзисторных ключей (варианты) и устройство управления транзисторными ключами для него» (RU 149842 U1, опубликовано 20.01.2015), в которой устройство управления транзисторными ключами, содержит транзисторы и конденсатор, при этом все транзисторы выполнены на базе полевого или биполярного транзисторов с изолированным затвором, отличающееся тем, что в него введены первый, второй, третий и четвертый выпрямительные диоды, шесть сопротивлений, первый и второй защитные диоды, причем положительный вывод вторичной обмотки соединен с одним из выводов первого резистора, одним из выводов первого защитного диода, истоком первого транзистора и анодом второго диода, катод которого через пятый резистор соединен с управляющим входом транзисторного ключа, а второй вывод вторичной обмотки соединен со вторым выводом первого защитного диода, с одним из выводов третьего резистора, анодом четвертого диода, истоком второго транзистора, сток которого соединен с катодом третьего диода, анод которого соединен с общим выводом транзисторного ключа, при этом второй вывод первого резистора соединен с затвором второго транзистора и с одним из выводов второго резистора, второй вывод которого соединен со вторым выводом третьего резистора и с затвором первого транзистора, сток которого соединен с катодом первого диода, анод которого через четвертый резистор соединен с управляющим входом транзисторного ключа, одним из выводов конденсатора, второго защитного диода и шестого резистора, соединенных параллельно, другие выводы которых соединены с общим выводом транзисторного ключа и катодом четвертого диода. Даны варианты выполнения блока электронных ключей и устройства управления электронными ключами для него.

Недостатком известной модели является невозможность формирования заднего фронта высоковольтного импульса достаточной степени крутизны, поскольку разрядка базы силового транзистора (транзисторного ключа) осуществляется через резистор (R6 на фиг. 2). Еще один недостаток предложенной схемы - большое количество компонентов, что приводит к увеличению габаритов и цены устройства.

Известен патент DE 000003630775 высоковольтное коммутирующее устройство на основе полевых транзисторов с экстремально коротким временем переключения (MOSFET-type high-voltage switch with extremely short switching time) (пункт 3, рисунок 4), содержащее два трансформатора, первичная обмотка каждого из которых выполнена в виде одного разомкнутого витка провода с высоковольтной изоляцией, пропущенного через несколько ферритовых кольцевых сердечников, на каждом из которых присутствует вторичная обмотка, выполненная в виде одного или нескольких витков.

Вторичные обмотки обоих трансформаторов отвечают за переключение нескольких полевых транзисторов, соединенных последовательно контактами сток-исток, каждая вторичная обмотка каждого трансформатора подключена идентичным образом к транзистору и образует систему управления, причем схема подключения одинакова для каждого полевого транзистора. Способ подключения заключается в том, что высокопотенциальный вывод вторичной обмотки трансформатора 1 (L_A на фиг. 4) подключен к аноду диода, катод которого соединен с базой силового транзистора T1, а также со стоком транзистора T_H и резистором R. Высокопотенциальный вывод вторичной обмотки трансформатора 2 (L_B на фиг. 4) соединен с базой логического транзистора T_H. Низкопотенциальные выводы вторичных обмоток 1 и 2 трансформаторов соединены между собой, а также с резистором R и истоками логического и силового транзисторов T_H и T1 соответственно.

Недостатком известных способов является то, что необходимо использовать две первичные обмотки для создания высоковольтного импульса с крутыми передним и задним фронтом, а также двух рядов кольцевых ферритовых сердечников, что повышает цену и габариты устройства, особенно в случае большого количества последовательно соединенных транзисторов для коммутирования высоких напряжений.

Задачей предполагаемого изобретения является создание высоковольтных импульсов произвольной длительности с коротким передним и задним фронтом, увеличении максимальной длины высоковольтного импульса, улучшение помехозащищенности и снижение размеров коммутирующего устройства.

Технический результат достигается тем, что используется развязывающий трансформатор подключаемый по мостовой схеме, первичная обмотка которого выполнена в виде одного разомкнутого витка высоковольтного провода, пропущенного через несколько ферритовых кольцевых сердечников, каждый из которых имеет вторичную обмотку, выполненную в виде нескольких витков провода с дополнительным выводом в средней точке, благодаря этому появляется возможность получения импульсов обоих полярностей на вторичной стороне. Вторичные обмотки трансформатора отвечают за переключение нескольких полевых транзисторов, соединенных последовательно контактами сток-исток, каждая вторичная обмотка трансформатора подключена идентичным образом к транзистору и образует систему управления, причем схема подключения одинакова для каждого полевого транзистора.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3.

На фиг. 1 представлена схема развязывающего трансформатора, подключаемого по мостовой схеме, а также система управления транзистором.

Устройство фиг. 1 содержит вторичную обмотку 3 трансформатора, которая подключена к аноду диода D1, катод которого соединен с базой силового транзистора Qn, а также со стоком транзистора Q5 и резистором R2. Средняя точка 4 вторичной обмотки трансформатора подключена к истоку транзисторов Q5 и T1, а также к резистору R2. Вывод 5 вторичной обмотки трансформатора соединен с диодом D2 и резистором R2, а также с базой транзистора Q5. При подаче токового импульса на вывод 1 трансформатора на вторичных обмотках трансформатора возникает ЭДС от точки 3 к 4 и от 4 к 5, вследствие чего через диод D1 протекает ток, заряжающий базу транзистора Qn, а диод D2 блокирует ток от точки 4 к 5. Высоковольтный канал сборки открывается. Затем токовый импульс подается на вывод 2 трансформатора, в результате чего на обмотках трансформатора возникает ЭДС из точки 5 в 4 и из 4 в 3. Диод D2 заряжает базу транзистора Q5, который, открывшись, разряжает базу транзистора Qn и закрывает высоковольтный канал сборки. Через некоторое время база транзистора Q5 разряжается через резистор R1, и система готова к подаче токового импульса в точку 1. Резистор R2 предназначен для стабилизации закрытого состояния и компенсации токов утечки транзистора Qn на базу и предотвращения его спонтанного открытия в момент коммутации. Для открытия высоковольтного канала на длительное время (превосходящее время разрядки базы Qn через собственный ток утечки, резистор R2 и ток утечки диода D1) на вывод 1 трансформатора следует подать серию токовых импульсов с периодом, меньшим чем период саморазряда транзистора Qn.

На фиг. 2 представлена диаграмма следования сигналов на точках 1 и 2 трансформатора, а также на базах транзисторов Q1 и Qn.

На фиг. 3 представлена схема развязывающего трансформатора, подключаемого по мостовой схеме, а также система управления транзистором.

Устройство фиг. 3 отличается от устройства, представленного на фиг. 1 тем, что в представленной схеме резистор R2 заменяется на конденсатор C1. Достигаемый технический эффект заключается в увеличении максимальной длины высоковольтного импульса, который можно получить, подав на первичную обмотку трансформатора единичный короткий импульс. Замена R2 на C1 приводит к отсутствию необходимости шунтирования базы транзистора Qn резистором для подавления кратковременных выбросов напряжения при коммутации на базу, поскольку суммарная емкость базы и конденсатора достаточно велика, чтобы поглотить энергию импульса при коммутации без значительного изменения напряжения. Одним из преимуществ такого решения является большая помехозащищенность транзистора Qn, поскольку конденсатор C2 предохраняет Qn от спонтанного открытия. Благодаря отсутствию резистора R2 ток утечки из базы значительно снижается. С другой стороны, благодаря собственной емкости конденсатора C1, многократно превышающей емкость базы транзистора Qn, суммарный заряд базы транзистора многократно возрастает. В результате время саморазряда базы транзистора может быть увеличено в десятки тысяч раз, благодаря чему пропорционально увеличивается и максимально допустимый период следования импульсов при работе сборки в режиме непрерывно открытого высоковольтного канала, что позволяет многократно снизить потери на переключение в транзисторах Q1 и Q4, а также снизить общее энергопотребление системы.

Изобретение относится к области импульсной техники. Технический результат - возможность генерации высоковольтных импульсов произвольной длительности с короткими передним и задним фронтами, увеличение максимальной длины высоковольтного импульса, улучшение помехозащищенности. Он достигается тем, что устройство содержит трансформатор, первичная обмотка которого выполнена в виде одного разомкнутого витка провода и содержит вывод (1) и вывод (2), при этом, вывод (1) подключен к истоку транзистора Q1 и стоку транзистора Q2, вывод (2) подключен к истоку транзистора Q3 и стоку транзистора Q4, истоки транзисторов Q2 и Q4 заземлены, а вторичная обмотка трансформатора выполнена в виде двух витков и содержит вывод (3), срединный вывод (4) и вывод (5), при этом, вывод (3) подключен к аноду диода D1, катод которого соединен со стоком транзистора Q5, первым выводом резистора R2 и затвором силового транзистора Qn, срединный вывод (4) соединен с первым выводом резистора R1, истоком транзистора Q5, вторым выводом резистора R2 и c истоком силового транзистора Qn, а вывод (5) соединен с анодом диода D2, катод которого соединен с вторым выводом резистора R1 и с затвором транзистора Q5. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство управления высоковольтным полупроводниковым коммутирующим устройством, содержащее развязывающий трансформатор, первичная обмотка которого выполнена в виде одного разомкнутого витка высоковольтного провода и содержит вывод (1) и вывод (2), при этом, вывод (1) подключен к истоку транзистора Q1 и стоку транзистора Q2, вывод (2) подключен к истоку транзистора Q3 и стоку транзистора Q4, истоки транзисторов Q2 и Q4 заземлены, а вторичная обмотка развязывающего трансформатора выполнена в виде двух витков и содержит вывод (3), срединный вывод (4) и вывод (5), при этом, вывод (3) подключен к аноду диода D1, катод которого соединен со стоком транзистора Q5, первым выводом резистора R2 и затвором силового транзистора Qn, срединный вывод (4) соединен с первым выводом резистора R1, истоком транзистора Q5, вторым выводом резистора R2 и c истоком силового транзистора Qn, а вывод (5) соединен с анодом диода D2, катод которого соединен с вторым выводом резистора R1 и с затвором транзистора Q5.

2. Устройство управления высоковольтным полупроводниковым коммутирующим устройством по п.1, отличающееся тем, что в представленной схеме резистор R2 заменяется на конденсатор C1.

3. Способ управления высоковольтным полупроводниковым коммутирующим устройством, в котором на управляющую первичную обмотку развязывающего трансформатора в направлении от точки вывода (1) к точке вывода (2) подаётся токовый импульс, который приводит к возникновению ЭДС на вторичных обмотках развязывающего трансформатора от точки вывода (3) к точке вывода (4) и от точки вывода (4) к точке вывода (5), возникающее ЭДС приводит к протеканию тока через диод D1 в затвор транзистора Qn, что приводит к открытию высоковольтного канала сборки, в то же время протекание тока между выводом (4) и выводом (5) вторичной обмотки трансформатора блокируется диодом D2, при этом, для закрытия высоковольтного канала сборки на первичную обмотку развязывающего трансформатора подается токовый импульс в направлении от точки вывода (2) к точке вывода (1), в этом случае на вторичных обмотках возникает ЭДС от точки вывода (5) к точке вывода (4) и от точки вывода (4) к точке вывода (3), при этом диод D1 блокирует протекание тока от точки вывода (4) к точке вывода (3), а через диод D2 затвор управляющего транзистора Q5 заряжается до напряжения, достаточного для его открытия, в результате этого транзистор Qn быстро разряжается и высоковольтный канал сборки закрывается, при этом затвор Q5 остаётся заряженным после коммутации на время, пропорциональное номиналу резистора R1, а нежелательному росту напряжения на затворе транзистора Qn после коммутации препятствует утечка тока через резистор R2.