Схема управления силовым ключом на основе БТИЗ или МДП-транзисторов Российский патент 2024 года по МПК H03K17/567 H03K17/691 

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 высокочастотных устройствах, где задачи снижения динамических потерь и, следовательно, повышения КПД устройства наиболее актуальны. 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 от 27.06.2000. Бюл. № 18; «Силовой ключ на МДП-транзисторе» патент RU 2524853 от 20.05.2014, Бюл. № 14; «Силовой ключ на МДП-транзисторе» патент RU 2337473 от 27.10.2008, Бюл. № 30; «Схема управления силовым ключом на основе БТИЗ или МДП-транзисторов» патент RU № 2785321 от 06.12.2022, Бюл.№ 34).), содержащие силовые ключи на МДП-транзисторах, трансформаторы, биполярные транзисторы и диоды.

Общими недостатками указанных известных устройств являются задержка на включение силового транзистора, связанная с колебательными переходными процессами, возникающими при обмене энергией между межвитковыми емкостями и индуктивностями рассеяния трансформатора и, следовательно, возрастание динамических потерь и снижение КПД всего устройства, а также невозможность использования в устройствах, где длительность работы силового ключа превышает половину периода рабочей частоты.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является принятая за прототип схема управления силовым ключом на основе БТИЗ или МДП-транзисторов (см. Патент RU № 2806902 от 08.11.2023, Бюл.№ 31). Эта схема лишена большинства недостатков перечисленных выше аналогов, однако повышенные динамические потери присущи и ей, что ограничивает область ее использования, особенно при высоких частотах работы. 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, в том числе частотный диапазон, силового ключа на основе БТИЗ или МДП-транзисторов за счет снижения динамических потерь при переключении силовых ключей и, как следствие, повышение энергетических показателей всего устройства.

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, третий биполярный транзистор n-p-n типа, шунтирующий МДП-транзистор с каналом n-типа, 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, дополнительный мостовой выпрямитель, включающий первую и вторую пары диодов, причем у первой пары диодов объединены катоды, а у второй пары диодов объединены аноды, между объединенными катодами и объединенными анодами дополнительного выпрямителя включены первый и второй последовательно соединенные резисторы, 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, а также к коллектору третьего биполярного транзистора, база которого соединена с общей точкой первого и второго последовательно соединенных резисторов, а эмиттер соединен с общей точкой анодов второй пары диодов дополнительного выпрямителя, сток шунтирующего МДП-транзистора соединен с затвором силового ключа, а исток 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 МДП-транзистор с каналом p-типа, сток которого соединен с затвором силового ключа, а исток соединен с положительной выходной клеммой мостового выпрямителя, подключенный как комплементарный к шунтирующему МДП-транзистору с каналом n-типа, причем затворы комплементарных МДП-транзисторов объединены.

Техническим результатом использования данного изобретения является значительное расширение частотного диапазона использования силового ключа, управляемого предлагаемым драйвером, вследствие значительного снижения динамических потерь и, таким образом, повышения КПД всего устройства.

Технический результат обеспечивается тем, что в предлагаемой схеме, в отличие от прототипа, исключено влияние на процесс отпирания силового ключа паразитных параметров трансформатора, таких как межвитковые емкости и индуктивности рассеяния обмоток. Обмен энергией между ними приводит к возникновению колебательного переходного процесса в цепи зарядки затворной емкости силового ключа, что негативно сказывается на процессе отпирания, затягивая его и повышая величину динамических потерь, а также повышая вероятность ложных срабатываний. Введение в цепь зарядки гасящего резистора, как это сделано в прототипе, не решает проблему в полной мере, так как повышение сопротивления этого резистора, улучшая характер переходного процесса, негативно сказывается на величине динамических потерь. В предлагаемой схеме проблема решается путем исключения из контура зарядки паразитных параметров обмотки трансформатора, так как ток зарядки поддерживается не напряжением обмотки трансформатора, а напряжением конденсатора, путем формирования другого контура зарядки.

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, третий биполярный транзистор n-p-n типа 11, шунтирующий МДП-транзистор 17 с каналом n-типа, 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 15, включенный параллельно выходным клеммам мостового выпрямителя, дополнительный мостовой выпрямитель, включающий 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, между объединенными катодами и объединенными анодами дополнительного выпрямителя включены первый 9 и второй 10 последовательно соединенные резисторы, 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, а также к коллектору третьего биполярного транзистора 11, база которого соединена с общей точкой первого 9 и второго 10 последовательно соединенных резисторов, а эмиттер соединен с общей точкой анодов второй пары диодов 22, 23 дополнительного выпрямителя, сток шунтирующего МДП-транзистора 17 соединен с затвором силового ключа 19, а исток 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, к шунтирующему МДП-транзистору 17 с каналом n-типа включен комплементарный МДП-транзистор 16 с каналом p-типа, сток которого соединен с затвором силового ключа 19, а исток соединен с положительной выходной клеммой мостового выпрямителя, затворы комплементарных МДП-транзисторов 16 и 17 объединены.

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 15 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 15. 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 15 по цепи: начало вторичной обмотки 4 трансформатора 2, диод 5, конденсатор 15, 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. Одновременно открывается комплементарный МДП-транзистор 16 по контуру: «плюс» конденсатора 15, переход исток-затвор МДП-транзистора 16, переход эмиттер-коллектор транзистора 13, «минус» конденсатора 15. При этом происходит отпирание силового ключа 19 по цепи: «плюс» конденсатора 15, переход исток-сток транзистора 16, переход эмиттер-затвор силового ключа 19, «минус» конденсатора 15. 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 15. При этом отпирается транзистор 12, ток базы которого протекает по цепи: плюс верхней обкладки конденсатора 15, резистор 14, переход база-эмиттер транзистора 12, переход затвор-исток МДП-транзистора 17, минус нижней обкладки конденсатора 15;

- одновременно происходит быстрое отпирание МДП-транзистора 17 вследствие зарядки емкости затвор-исток по цепи: плюс верхней обкладки конденсатора 15, переход коллектор-эмиттер транзистора 12, переход затвор-исток МДП-транзистора 17, минус нижней обкладки конденсатора 15. 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 15, 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 15 по цепи: конец вторичной обмотки 4 трансформатора 2, диод 6, конденсатор 15, 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. Одновременно отпирается МДП-транзистор 16 по контуру: «плюс» конденсатора 15, переход исток-затвор МДП-транзистора 16, переход эмиттер-коллектор транзистора 13, «минус» конденсатора 15. При этом происходит отпирание силового ключа 19 по цепи: «плюс» конденсатора 15, переход исток-сток транзистора 16, переход эмиттер-затвор силового ключа 19, «минус» конденсатора 15. Комплементарный транзистор 12 при этом заперт.

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

Было проведено компьютерное моделирование и изготовлен экспериментальный образец схемы драйвера, полностью подтвердившие описанный рабочий процесс.

Предлагаемое устройство в отличие от прототипа обладает более высоким быстродействием за счет снижения длительности переходных коммутационных процессов, меньшими динамическими потерями и более высокими энергетическими показателями.

По мнению авторов, предлагаемая схема управления силовым ключом на основе БТИЗ или МДП-транзисторов может быть использована в любых бесконтактных коммутационных устройствах с высокой частотой преобразования и регулирования электроэнергии, обеспечивая высокие энергетические показатели, 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. «Схема управления силовым ключом на основе БТИЗ или МДП-транзисторов», патент RU № 2806902 от 08.11.2023, Бюл. № 31.

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 высокочастотных устройствах, где задачи снижения динамических потерь и, следовательно, повышения КПД устройства наиболее актуальны. Техническим результатом использования данного изобретения является значительное расширение частотного диапазона использования силового ключа, управляемого предлагаемым драйвером, вследствие значительного снижения динамических потерь и, таким образом, повышения КПД всего устройства. Технический результат достигается за счет того, что схема управления силовым ключом содержит изолирующий двухобмоточный трансформатор, силовой ключ, первый и второй комплементарные биполярные транзисторы, третий биполярный транзистор n-p-n типа, шунтирующий МДП-транзистор с каналом n-типа, однофазный мостовой выпрямитель, конденсатор, включенный параллельно выходным клеммам мостового выпрямителя, дополнительный мостовой выпрямитель, включающий первую и вторую пары диодов, между объединенными катодами и объединенными анодами дополнительного выпрямителя включены первый и второй последовательно соединенные резисторы, 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, базы первого и второго комплементарных транзисторов объединены и посредством резистора подключены к положительной выходной клемме мостового выпрямителя, а также к коллектору третьего биполярного транзистора, база которого соединена с общей точкой первого и второго последовательно соединенных резисторов, а эмиттер соединен с общей точкой анодов второй пары диодов дополнительного выпрямителя, сток шунтирующего МДП-транзистора соединен с затвором силового ключа, а исток 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, также содержит МДП-транзистор с каналом p-типа, сток которого соединен с затвором силового ключа, а исток соединен с положительной выходной клеммой мостового выпрямителя, подключенный как комплементарный к шунтирующему МДП-транзистору с каналом n-типа, причем затворы комплементарных МДП-транзисторов объединены. 1 ил.

Схема управления силовым ключом на основе БТИЗ или МДП–транзисторов, содержащая изолирующий двухобмоточный трансформатор, силовой ключ, первый и второй комплементарные биполярные транзисторы, третий биполярный транзистор n-p-n типа, шунтирующий МДП–транзистор с каналом n-типа, 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, дополнительный мостовой выпрямитель, включающий первую и вторую пары диодов, причем у первой пары диодов объединены катоды, а у второй пары диодов объединены аноды, между объединенными катодами и объединенными анодами дополнительного выпрямителя включены первый и второй последовательно соединенные резисторы, 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, а также к коллектору третьего биполярного транзистора, база которого соединена с общей точкой первого и второго последовательно соединенных резисторов, а эмиттер соединен с общей точкой анодов второй пары диодов дополнительного выпрямителя, сток шунтирующего МДП-транзистора соединен с затвором силового ключа, а исток 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 к шунтирующему МДП-транзистору с каналом n-типа включен комплементарный МДП-транзистор с каналом p-типа, сток которого соединен с затвором силового ключа, а исток соединен с положительной выходной клеммой мостового выпрямителя, затворы комплементарных МДП-транзисторов объединены.