СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ СИЛОВЫМ КЛЮЧОМ НА ОСНОВЕ БТИЗ ИЛИ МДП-ТРАНЗИСТОРОВ Российский патент 2023 года по МПК H02M1/08 

Изобретение относится к области электротехники, включая импульсную силовую преобразовательную технику, и предназначено для использования в различных бесконтактных коммутационных устройствах преобразования и регулирования электроэнергии, в том числе в устройствах, где длительность работы силового ключа превышает половину периода рабочей частоты. Вопросы проектирования схем управления силовыми ключами, которые называют драйверами, широко освещены в технической литературе [1-5].

Известны драйверы силовых ключей на МДП-транзисторах («Силовой ключ на МДП-транзисторе» патент RU 2152127, Бюл. № 18 от 27.06.2000; «Силовой ключ на МДП-транзисторе» патент RU 2524853, Бюл. № 14 от 20.05.2014; «Силовой ключ на МДП-транзисторе» патент RU 2337473, Бюл. № 30 от 27.10.2008), содержащие силовые ключи на МДП-транзисторах, трансформаторы, биполярные транзисторы и диоды. Общими недостатками указанных известных устройств являются возможность ложных отпираний и запираний силового МДП-транзистора на этапах переключения при повышенном напряжении питания и больших скоростях переключения, возможность возникновения опасных перенапряжений на затворе, а также ненадежное удержание силового МДП-транзистора в запертом состоянии при значительных паузах.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является принятая за прототип схема управления силовым ключом на основе БТИЗ или МДП-транзисторов (см. Патент РФ № 2785321 от 06.12.2022, Бюл.№ 34). Эта схема лишена недостатков перечисленных выше аналогов, однако обеспечиваемая ею скважность работы силового ключа не превышает 0,5, что далеко не всегда является достаточным и ограничивает область ее использования. Предлагаемое изобретение является дальнейшим совершенствованием указанного прототипа.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключаются в создании универсального драйвера, значительно расширяющего функциональные возможности, а следовательно и области применения силового ключа на основе БТИЗ или МДП-транзисторов.

Указанная задача решается за счет того, что схема управления силовым ключом на основе БТИЗ или МДП-транзисторов, содержащая изолирующий двухобмоточный трансформатор, силовой ключ, первый и второй комплементарные биполярные транзисторы, однофазный мостовой выпрямитель, включающий первый и второй диоды с объединенными катодами и первый и второй стабилитроны с объединенными анодами, причем вторичная обмотка трансформатора подключена в диагональ мостового выпрямителя по переменному току, конденсатор, включенный параллельно выходным клеммам мостового выпрямителя, третий биполярный транзистор n-p-n типа, шунтирующий МДП-транзистор, причем первый и второй комплементарные транзисторы общим эмиттером подключены к затвору шунтирующего МДП-транзистора, коллектор первого комплементарного транзистора n-p-n типа подключен к положительной выходной клемме мостового выпрямителя, а коллектор второго комплементарного транзистора p-n-p типа подключен к отрицательной выходной клемме мостового выпрямителя, базы первого и второго комплементарных транзисторов объединены и посредством резистора подключены к положительной выходной клемме мостового выпрямителя, база третьего биполярного транзистора соединена с общей точкой первого и второго последовательно соединенных резисторов, коллектор третьего биполярного транзистора соединен с общей базой первого и второго комплементарных транзисторов, а его эмиттер соединен с первым из двух последовательно соединенных резисторов, сток шунтирующего МДП-транзистора соединен с затвором силового ключа, а также посредством резистора соединен со вторым из двух последовательно соединенных резисторов, исток шунтирующего МДП-транзистора соединен с отрицательной выходной клеммой мостового выпрямителя и отрицательным электродом силового ключа, между отрицательным электродом и затвором силового ключа установлен резистор, первичная обмотка трансформатора подключена к устройству управления, дополнительно содержит первую и вторую пары диодов, причем у первой пары диодов объединены катоды, а у второй пары диодов объединены аноды, общая точка катодов первой пары диодов соединена с общей точкой второго из двух последовательно соединенных резисторов и резистора, подключенного к затвору силового ключа, аноды диодов первой пары соединены соответственно с анодами первого и второго диодов выпрямительного моста, общая точка анодов второй пары диодов соединена с эмиттером третьего биполярного транзистора n-p-n типа, а катоды диодов второй пары соединены соответственно с катодами первого и второго стабилитронов выпрямительного моста.

Техническим результатом использования данного изобретения является значительное расширение функциональных возможностей силового ключа, управляемого предлагаемым драйвером, характеризуемое повышением скважности работы силового ключа до величины, сколь угодно близкой к единице. Если схема прототипа надежно работает лишь в двухтактных схемах, где интервал открытого состояния силовых ключей не превышает половину периода рабочей частоты устройства, то диапазон использования силовых ключей, управляемых предлагаемым драйвером, не ограничен. Такие ключи могут работать, например, в двухтактных преобразователях постоянного напряжения с трансформаторным разделением цепей, к которым относятся двухтактные преобразователи с выходным трансформатором или в комбинированных преобразователях нулевого типа с дросселем в первичной цепи [10]. В этих преобразователях длительность открытого состояния ключа превышает половину периода. К таким схемам можно также отнести инверторы с амплитудно-широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения на базе, например, мостовой схемы [10] и многие другие.

Технический результат обеспечивается тем, что в предлагаемой схеме в отличие от прототипа открытое состояние силового ключа может поддерживаться как при положительной амплитуде входного сигнала системы управления, так и при отрицательной. Закрытое состояние силового ключа обеспечивается на нулевой паузе в управляющем импульсе. Первая и вторая пары диодов, дополнительно введенные в схему, обеспечивают идентичное функционирование всех элементов как при положительной, так и при отрицательной амплитудах сигнала управления.

На Фиг. 1 представлена электрическая схема заявляемого устройства. Схема содержит изолирующий двухобмоточный трансформатор 2, силовой ключ 19, первый 12 и второй 13 комплементарные биполярные транзисторы, однофазный мостовой выпрямитель, включающий первый 5 и второй 6 диоды с объединенными катодами и первый 7 и второй 8 стабилитроны с объединенными анодами, причем вторичная обмотка 4 трансформатора 2 подключена в диагональ мостового выпрямителя по переменному току, конденсатор 16, включенный параллельно выходным клеммам мостового выпрямителя, третий биполярный транзистор 11 n-p-n типа, шунтирующий МДП-транзистор 17, причем первый 12 и второй 13 комплементарные транзисторы общим эмиттером подключены к затвору шунтирующего МДП-транзистора 17, коллектор первого комплементарного транзистора 12 n-p-n типа подключен к положительной выходной клемме мостового выпрямителя, а коллектор второго комплементарного транзистора 13 p-n-p типа подключен к отрицательной выходной клемме мостового выпрямителя, базы первого 12 и второго 13 комплементарных транзисторов объединены и посредством резистора 14 подключены к положительной выходной клемме мостового выпрямителя, база третьего биполярного транзистора 11 соединена с общей точкой первого 10 и второго 9 последовательно соединенных резисторов, коллектор третьего биполярного транзистора 11 соединен с общей базой первого 12 и второго 13 комплементарных транзисторов, а его эмиттер соединен с первым 10 из двух последовательно соединенных резисторов, сток шунтирующего МДП-транзистора 17 соединен с затвором силового ключа 19, а также посредством резистора 15 соединен со вторым 9 из двух последовательно соединенных резисторов, исток шунтирующего МДП-транзистора 17 соединен с отрицательной выходной клеммой мостового выпрямителя и отрицательным электродом силового ключа 19, между отрицательным электродом и затвором силового ключа 19 установлен резистор 18, первичная обмотка 3 трансформатора 2 подключена к устройству управления 1, устройство дополнительно содержит первую 20,21 и вторую 22,23 пары диодов, причем у первой пары диодов 20,21 объединены катоды, а у второй пары диодов 22,23 объединены аноды, общая точка катодов первой пары диодов 20,21 соединена с общей точкой второго 9 из двух последовательно соединенных резисторов и резистора 15, подключенного к затвору силового ключа 19, аноды диодов 20,21 первой пары соединены соответственно с анодами первого 5 и второго 6 диодов выпрямительного моста, общая точка анодов второй пары диодов 22,23 соединена с эмиттером третьего биполярного транзистора 11 n-p-n типа, а катоды диодов 22,23 второй пары соединены соответственно с катодами первого 7 и второго 8 стабилитронов выпрямительного моста.

Схема управления силовым ключом на основе БТИЗ или МДП-транзисторов работает следующим образом. Рассмотрим процесс отпирания силового ключа 19. К концу предыдущего этапа работы, когда силовой ключ 19 был закрыт, в открытом состоянии находились МДП-транзистор 17, шунтирующий переход затвор-эмиттер силового ключа 19 (в качестве силового ключа на фиг. 1 использован БТИЗ транзистор), и биполярный транзистор 12, обеспечивающий открытое состояние МДП-транзистора 17. Конденсатор 16 при этом подзаряжен на предыдущих этапах работы и имеет положительную полярность на верхней обкладке и отрицательную - на нижней. На базу комплементарного транзистора 12 n-p-n типа подается отпирающее положительное смещение от конденсатора 16. Для отпирания силового ключа 19 на первичную обмотку 3 трансформатора 2 от устройства управления 1 поступает положительный импульс, который трансформируется на вторичную обмотку 4 трансформатора 2. При этом одновременно протекают следующие процессы:

- продолжается подзарядка конденсатора 16 по цепи: начало вторичной обмотки 4 трансформатора 2, диод 5, конденсатор 16, стабилитрон 8, конец вторичной обмотки 4 трансформатора 2;

- происходит отпирание биполярного транзистора 11, базовый ток которого течет по цепи: начало вторичной обмотки 4 трансформатора 2, диод 20, резистор 9, переход база-эмиттер транзистора 11, диод 23, конец вторичной обмотки 4 трансформатора 2. При этом ток коллектора транзистора 11 замыкается в контуре: начало вторичной обмотки 4 трансформатора 2, диод 5, резистор 14, переход коллектор-эмиттер транзистора 11, диод 23, конец вторичной обмотки 4 трансформатора 2. На базы первого 12 и второго 13 комплементарных транзисторов подается отрицательное смещение с резистора 14. При этом комплементарный транзистор 13 p-n-p типа открывается и его ток базы замыкается в контуре: начало вторичной обмотки 4 трансформатора 2, диод 5, переход коллектор-эмиттер транзистора 12, переход эмиттер-база транзистора 13, переход коллектор-эмиттер транзистора 11, диод 23, конец вторичной обмотки 4 трансформатора 2. Отпирание транзистора 13 вызывает разряд емкости затвор-исток МДП-транзистора 17, который при этом запирается, прекращая шунтирование перехода затвор-эмиттер силового ключа 19. При этом происходит отпирание силового ключа 19 по цепи: начало вторичной обмотки 4 трансформатора 2, диод 20, резистор 15, затвор силового транзистора 19, эмиттер силового ключа 19, стабилитрон 8, конец вторичной обмотки 4 трансформатора 2. Комплементарный транзистор 12 при этом заперт.

При подаче на первичную обмотку 3 трансформатора 2 нулевого импульса (пауза) от устройства управления 1 на вторичной обмотке 4 трансформатора 2 также формируется нулевой импульс, и начинают протекать следующие процессы:

- транзистор 11 запирается, пассивное запирание которого обеспечивается делителем напряжения на резисторах 9 и 10. В результате запирания транзистора 11 активно запирается транзистор 13 p-n-p типа положительным напряжением на базе, создаваемым конденсатором 16. При этом отпирается транзистор 12, ток базы которого протекает по цепи: плюс верхней обкладки конденсатора 16, резистор 14, переход база-эмиттер транзистора 12, переход затвор-исток МДП-транзистора 17, минус нижней обкладки конденсатора 16;

- одновременно происходит быстрое отпирание МДП-транзистора 17 вследствие зарядки емкости затвор-исток по цепи: плюс верхней обкладки конденсатора 16, переход коллектор-эмиттер транзистора 12, переход затвор-исток МДП-транзистора 17, минус нижней обкладки конденсатора 16. В результате происходит быстрое запирание силового ключа 19 вследствие разряда его затворной емкости по цепи: затвор силового ключа 19, переход сток-исток МДП-транзистора 17, эмиттер силового ключа 19.

Во время паузы биполярный транзистор 12 и МДП-транзистор 17 остаются открытыми благодаря напряжению на конденсаторе 16, который разряжается очень медленно вследствие высокого входного сопротивления МДП-транзистора 17.

При подаче на первичную обмотку 3 трансформатора 2 отрицательного импульса от устройства управления 1 на вторичной обмотке 4 трансформатора 2 также формируется отрицательный импульс, то есть «плюс» на конце вторичной обмотки 4 трансформатора 2, а «минус» на начале этой обмотки. При этом «плюс» с конца вторичной обмотки 4 трансформатора 2, через диод 21 поступает на верхний конец резистора 9, а диод 20 исключает попадание в эту же точку «минуса» с начала обмотки 4 трансформатора 2. При этом «минус» с начала вторичной обмотки 4 трансформатора 2, через диод 22 поступает на нижний конец резистора 10, а диод 23 исключает попадание в эту же точку «плюса» с конца обмотки 4 трансформатора 2.

Таким образом, схема оказывается в том же состоянии, что и при подаче положительного импульса от системы управления. При этом одновременно протекают следующие процессы:

- продолжается подзарядка конденсатора 16 по цепи: конец вторичной обмотки 4 трансформатора 2, диод 6, конденсатор 16, стабилитрон 7, начало вторичной обмотки 4 трансформатора 2;

- происходит отпирание биполярного транзистора 11, базовый ток которого течет по цепи: конец вторичной обмотки 4 трансформатора 2, диод 21, резистор 9, переход база-эмиттер транзистора 11, диод 22, начало вторичной обмотки 4 трансформатора 2. При этом ток коллектора транзистора 11 замыкается в контуре: конец вторичной обмотки 4 трансформатора 2, диод 6, резистор 14, переход коллектор-эмиттер транзистора 11, диод 22, начало вторичной обмотки 4 трансформатора 2. На базы первого 12 и второго 13 комплементарных транзисторов подается отрицательное смещение с резистора 14. При этом комплементарный транзистор 13 p-n-p типа открывается и его ток базы замыкается в контуре: конец вторичной обмотки 4 трансформатора 2, диод 6, переход коллектор-эмиттер транзистора 12, переход эмиттер-база транзистора 13, переход коллектор-эмиттер транзистора 11, диод 22, начало вторичной обмотки 4 трансформатора 2. Отпирание транзистора 13 вызывает разряд емкости затвор-исток МДП-транзистора 17, который при этом запирается, прекращая шунтирование перехода затвор-эмиттер силового ключа 19. При этом происходит отпирание силового ключа 19 по цепи: конец вторичной обмотки 4 трансформатора 2, диод 21, резистор 15, затвор силового транзистора 19, эмиттер силового ключа 19, стабилитрон 7, начало вторичной обмотки 4 трансформатора 2. Комплементарный транзистор 12 при этом заперт.

Высокоомный резистор 18 предотвращает ложное отпирание силового ключа 19 при подаче на схему напряжения питания.

Был изготовлен опытный образец схемы, полностью подтвердивший описанный рабочий процесс.

Предлагаемое устройство в отличие от прототипа может поддерживать силовой ключ в открытом состоянии как при положительной, так и при отрицательной полярностях сигнала управления, что обеспечивает скважность работы силового ключа сколь угодно близкой к единице. Регулирование величины паузы позволяет обеспечить любое требуемое значение скважности.

По мнению авторов, предлагаемая схема управления силовым ключом на основе БТИЗ или МДП-транзисторов может быть использована в любых бесконтактных коммутационных устройствах преобразования и регулирования электроэнергии, где для функционирования устройства требуется возможность регулирования величины скважности работы силовых ключей более 0,5, в качестве надежного драйвера как в устройствах наземного оборудования, так и на подвижных объектах, включая авиационно-космическую технику, а совокупность его существенных признаков необходима и достаточна для достижения заявляемого технического результата.

Источники информации

1. Драйверы CT-Concept для силовых IGBT и MOSFET - модулей на базе нового ядра SCALE-2. Силовая электроника, 2009, № 5, стр. 34-39.

2. Волович Г. Драйверы силовых ключей. Современная электроника, 2007, № 8, стр. 32-40.

3. MORNSUN Guangzhou Science & Technology Co.,, Ltd. reserves the copyright and right of final interpretation. 2019, 11,11-A/4, page 2 of 5.

4. Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. Москва, Издательский дом «Додэка-XXI», 2001, стр. 110.

5. Иоффе Д., Ридли Р. Советы по управлению затвором мощного полевого транзистора.//Компоненты и технологии, 2008, № 8, стр. 120-122.

6. «Силовой ключ на МДП-транзисторе», патент RU 2152127, Бюл. № 18 от 27.06.2000.

7. «Силовой ключ на МДП-транзисторе», патент RU 2524853, Бюл. № 14 от 20.05.2014.

8. «Силовой ключ на МДП-транзисторе», патент RU 2337473, Бюл. № 30 от 27.10.2008.

9. «Схема управления силовым ключом на основе БТИЗ или МДП-транзисторов», патент RU 2785321 от 06.12.2022, Бюл. № 34.

10. Моин В.С. Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 376 с.

Изобретение относится к области электротехники, включая импульсную силовую преобразовательную технику, и предназначено для использования в любых бесконтактных коммутационных устройствах преобразования и регулирования электроэнергии, в том числе в устройствах, где длительность работы силового ключа превышает половину периода рабочей частоты. Схема управления силовым ключом на основе БТИЗ или МДП-транзисторов, содержит изолирующий двухобмоточный трансформатор, силовой ключ, первый и второй комплементарные биполярные транзисторы, однофазный мостовой выпрямитель, включающий первый и второй диоды с объединенными катодами и первый и второй стабилитроны с объединенными анодами, причем вторичная обмотка трансформатора подключена в диагональ мостового выпрямителя по переменному току, конденсатор, включенный параллельно выходным клеммам мостового выпрямителя, третий биполярный транзистор n-p-n типа, шунтирующий МДП-транзистор, причем первый и второй комплементарные транзисторы общим эмиттером подключены к затвору шунтирующего МДП-транзистора, коллектор первого комплементарного транзистора n-p-n типа подключен к положительной выходной клемме мостового выпрямителя, а коллектор второго комплементарного транзистора p-n-p типа - к отрицательной выходной клемме мостового выпрямителя, базы первого и второго комплементарных транзисторов объединены и посредством резистора подключены к положительной клемме мостового выпрямителя, база третьего биполярного транзистора соединена с общей точкой первого и второго последовательно соединенных резисторов, коллектор третьего биполярного транзистора соединен с общей базой первого и второго комплементарных транзисторов, а его эмиттер соединен с первым из двух последовательно соединенных резисторов, сток шунтирующего МДП-транзистора соединен с затвором силового ключа, а также посредством резистора соединен со вторым из двух последовательно соединенных резисторов, исток шунтирующего МДП-транзистора соединен с отрицательной клеммой выпрямителя и отрицательным электродом силового ключа, между отрицательным электродом и затвором силового ключа установлен резистор, первичная обмотка трансформатора подключена к устройству управления, дополнительно содержит первую и вторую пары диодов, причем у первой пары объединены катоды, а у второй аноды, общая точка катодов первой пары соединена со вторым из двух последовательно соединенных резисторов, аноды диодов первой пары соединены с анодами диодов выпрямительного моста, общая точка анодов второй пары диодов соединена с эмиттером третьего биполярного транзистора n-p-n типа, а их катоды соединены с катодами стабилитронов выпрямительного моста. Техническим результатом использования данного изобретения является расширение функциональных возможностей силового ключа, управляемого предлагаемым драйвером, характеризуемое повышением скважности работы силового ключа до величины, сколь угодно близкой к единице. 1 ил.

Схема управления силовым ключом на основе БТИЗ или МДП–транзисторов, содержащая изолирующий двухобмоточный трансформатор, силовой ключ, первый и второй комплементарные биполярные транзисторы, однофазный мостовой выпрямитель, включающий первый и второй диоды с объединенными катодами и первый и второй стабилитроны с объединенными анодами, причем вторичная обмотка трансформатора подключена в диагональ мостового выпрямителя по переменному току, конденсатор, включенный параллельно выходным клеммам мостового выпрямителя, третий биполярный транзистор n-p-n типа, шунтирующий МДП–транзистор, причем первый и второй комплементарные транзисторы общим эмиттером подключены к затвору шунтирующего МДП-транзистора, коллектор первого комплементарного транзистора n-p-n типа подключен к положительной выходной клемме мостового выпрямителя, а коллектор второго комплементарного транзистора p-n-p типа подключен к отрицательной выходной клемме мостового выпрямителя, базы первого и второго комплементарных транзисторов объединены и посредством резистора подключены к положительной выходной клемме мостового выпрямителя, база третьего биполярного транзистора соединена с общей точкой первого и второго последовательно соединенных резисторов, коллектор третьего биполярного транзистора соединен с общей базой первого и второго комплементарных транзисторов, а его эмиттер соединен с первым из двух последовательно соединенных резисторов, сток шунтирующего МДП-транзистора соединен с затвором силового ключа, а также посредством резистора соединен со вторым из двух последовательно соединенных резисторов, исток шунтирующего МДП-транзистора соединен с отрицательной выходной клеммой мостового выпрямителя и отрицательным электродом силового ключа, между отрицательным электродом и затвором силового ключа установлен резистор, первичная обмотка трансформатора подключена к устройству управления, отличающаяся тем, что дополнительно содержит первую и вторую пары диодов, причем у первой пары диодов объединены катоды, а у второй пары диодов объединены аноды, общая точка катодов первой пары диодов соединена с общей точкой второго из двух последовательно соединенных резисторов и резистора, подключенного к затвору силового ключа, аноды диодов первой пары соединены соответственно с анодами первого и второго диодов выпрямительного моста, общая точка анодов второй пары диодов соединена с эмиттером третьего биполярного транзистора n-p-n типа, а катоды диодов второй пары соединены соответственно с катодами первого и второго стабилитронов выпрямительного моста.