Устройство управления силовым транзистором Российский патент 2023 года по МПК H02M1/08 H03K17/567 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к разработке импульсных преобразователей электрической энергии в качестве драйвера управления силовым транзистором.

Из уровня техники известен способ управления полупроводниковым ключом» (патент RU 2290737 C1) с изолированными входной и выходной секциями и трансформатором связи на основе электромагнитного эффекта между ними, заключающийся в преобразование 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 том, 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.

Недостатком такого технического решения является то, что минимальное время фазы открытого состояния не менее 2 мкс, что уменьшает минимальный коэффициент заполнения на частоте 100 кГц до 20%.

Также известен «Драйвер затвора силового ключа» (патент RU168275U1), который содержит трансформатор, первичная обмотка которого соединена с контактом, обеспечивающим втекающий и вытекающий токи, достаточные для управления силовым ключом, вторичная обмотка соединена через последовательно включенный резистор с затвором и истоком силового ключа, между которыми включен двусторонний стабилитрон. Дополнительный МОП-транзистор, затвор и сток которого подключен к первичной обмотке трансформатора, а исток подключен к общему выводу драйвера, и диодом, который подключен анодом к стоку МОП-транзистора, а катодом к плюсу питания драйвера.

Указанное устройство является наиболее близким по технической сущности и принято за прототип.

Недостатком такого технического решения является ограничение максимального коэффициента заполнения управляющего импульса величиной 50%, что ограничивает сферу применения данного устройства, кроме того, к затвору управляемого полевого транзистора в момент запирания прикладывается отрицательное напряжение, что уменьшает стойкость управляемого транзистора к накопленной дозе радиации и к тяжёлым заряженным частицам.

Для заявленного изобретения выявлены следующие общие с прототипом существенные признаки: устройство управления силовым транзистором, содержащее трансформатор, первичная обмотка которого соединена с контактом, обеспечивающим втекающий и вытекающий токи, достаточные для управления силовым ключом, вторичная обмотка которого включена через последовательно включенный резистор с затвором ключа.

Технической проблемой изобретения является увеличение диапазона коэффициента заполнения управляющего импульса силовым транзистором и устранение отрицательного выходного напряжения.

Технический результат - расширение области применения устройства управления силовым транзистором за счет увеличенного коэффициента заполнения и повышение устойчивости к накопленной дозе и тяжелым заряженным частицам за счет устранения отрицательного напряжения, прикладываемого к переходу затвор-исток управляемого транзистора.

Технический результат достигается, а техническая проблема решается тем, что между вторичной обмоткой и токоограничивающим резистором установлен диод катодом к резистору, добавлена схема, состоящая из запирающего трансформатора, вторичная обмотка которого шунтирована обратным диодом и формирует импульс, управляющий запирающим транзистором, включенным между затвором и истоком управляемого транзистора; первичная обмотка подключена к точке питания схемы через резистор и к выходу компаратора, инвертирующий вход которого подключен напрямую к общей точке схемы, неинвертирующий вход подключен через последовательную резистивно-емкостную цепь к точке подачи управляющего входного сигнала и через резистор к точке питания схемы, а через резистор и параллельный ему диод - к общей точке схемы.

Устранение отрицательного выходного напряжения драйвера достигается введением последовательного диода, прикладывающего только положительную составляющую напряжения трансформатора к управляемому транзистору.

Расширение относительной длительности импульса достигается за счет того, что формирование фронта закрытия транзистора происходить через независимую обмотку трансформатора.

Изобретение поясняется функциональной схемой устройства управления силовым транзистором, представленной на Фиг. 1.

Устройство управления силовым транзистором (фиг. 1) содержит трансформатор отпирания ключа 1, один из концов первичной обмотки которого подключен к общей точке схемы 18, а второй к точке подачи входного управляющего сигнала 15, параллельно первичной обмотке включен размагничивающий резистор 2, вторичная обмотка через диод 3 и токоограничивающий резистор 4. Запирающий трансформатор 5, вторичная обмотка которого шунтирована обратным диодом 6 формирует импульс, управляющий запирающим транзистором 7, включенным между затвором 16 и истоком 17 управляемого транзистора. Первичная обмотка подключена к точке питания схемы 19 через резистор 8 и к выходу компаратора 9, инвертирующий вход которого подключен напрямую к общей точке схемы 18, а неинвертирующий вход через последовательную резистивно-емкостную цепь, состоящую из резистора 10 и конденсатора 11, подключен к точке подачи управляющего входного сигнала 15, через резистор 12 к точке питания схемы 19 и через резистор 13 и параллельный ему диод 14 к общей точке схемы 18.

Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.

При подаче на вход управления импульса открытия транзистора данный импульс прикладывается к первичной обмотке трансформатора отпирания ключа 1, трансформируется в напряжение вторичной обмотки и через диод 3 и токоограничивающий резистор 4 заряжает затворную ёмкость управляемого транзистора. Напряжение, поданное на управляющий вход, заряжает через последовательный резистор 10 до собственного напряжения конденсатор 11, подключенный к неинвертирующему входу компаратора 9. При этом благодаря подключенному между неинвертирующим входом и точкой питания схемы резистору 8 и диоду, включенному между входами компаратора 14, между входами компаратора формируется напряжение, равное напряжению открытого перехода.

При снятии управляющего напряжения со входа управления, в трансформаторе 1 возникают токи размагничивания, формирующие обратный выброс напряжения на обмотках, но смещенный в обратном направлении диод 3, включенный последовательно с токоограничивающим резистором, не позволяет приложить к затвору управляемого транзистора 16 сформированное трансформатором отрицательное напряжение. При этом конденсатор 11, заряженный до амплитуды напряжения управления, прикладывает все своё напряжение с отрицательным знаком в неинвертирующему входу компаратора 9 до тех пор, пока емкость не перезарядится через другой последовательный резистор 13, формируя на выходе компаратора логической ноль, который организует условия, при которых к первичной обмотке запирающего трансформатора прикладывается короткий импульс, отпирающий запирающий транзистор, через который затворная ёмкость управляемого транзистора разражается до нуля. Включённый между затвором 16 и истоком 17 запирающего транзистора 7 диод 3 не позволяет приложить к затвору запирающего транзистора 7 отрицательное напряжение. Далее процесс повторяется.

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, в частности к разработке импульсных преобразователей электрической энергии в качестве драйвера управления силовым транзистором. Техническим результатом заявленного изобретения является применение в устройствах, содержащих в своём составе силовой МДП транзистор, требующий гальванической развязки силовой части и системы управления и коэффициента заполнения свыше 80%. Технический результат достигается за счет введения в схему драйвера дополнительного формирователя запирающего импульса, построенного на компараторе, подключенного к нему дополнительного запирающего трансформатора и разрядного ключа. Суть изобретения поясняется фиг.1, где представлена электрическая схема устройства управления силовым транзистором. 1 ил.

Устройство управления силовым транзистором, содержащее трансформатор отпирания ключа, первичная обмотка которого включена между точкой подачи входного управляющего сигнала и общей точкой схемы, вторичная обмотка которого включена через последовательно включенный токоограничивающий резистор между затвором и истоком управляемого ключа, отличающийся тем, что между вторичной обмоткой и токоограничивающим резистором установлен диод катодом к резистору, добавлена схема, состоящая из запирающего трансформатора, вторичная обмотка которого шунтирована обратным диодом и формирует импульс, управляющий запирающим транзистором, включенным между затвором и истоком управляемого транзистора; первичная обмотка подключена к точке питания схемы через резистор и к выходу компаратора, инвертирующий вход которого подключен напрямую к общей точке схемы, неинвертирующий вход подключен через последовательную резистивно-емкостную цепь к точке подачи управляющего входного сигнала и через резистор к точке питания схемы, а через резистор и параллельный ему диод – к общей точке схемы.