УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ СИЛОВЫМ ТРАНЗИСТОРОМ С ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ ЗВЕНОМ НА P-КАНАЛЬНОМ ТРАНЗИСТОРЕ Российский патент 2025 года по МПК H02M1/08 H03K17/00 

Изобретение относится к области электротехники в частности к импульсным преобразователям электрической энергии, используемых в качестве драйвера управления силовым транзистором.

При анализе патентной базы РФ выявлено несколько аналогов. Одним из них является «Способ управления полупроводниковым ключом» (патент RU 2290737 C1 МПК H02M 1/08 (2006.01), 2006). 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. Задание времени 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%.

Так же известен «Драйвер затвора силового ключа» (патент RU 16827 5U1, МПК H03K 17/567 (2006.01), 2016). Драйвер 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. Помимо этого, драйвер включает МОП-транзистор, затвор и сток которого подключен к первичной обмотке трансформатора, а исток подключен к общему выводу драйвера, и диоду, который подключен анодом к стоку МОП-транзистора, а катодом к плюсу питания драйвера.

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.

Так же известен аналог «Устройство управления силовым транзистором» (патент RU 2809191 С1, МПК H02М 1/08 (2023.10), 2023). 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. Между вторичной обмоткой и токоограничивающим резистором установлен диод катодом к резистору, имеется 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.

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

Недостатком такого технического решения является ограничение максимального коэффициента заполнения управляющего импульса величиной 80%, что ограничивает сферу применения данного устройства, кроме того, наличие дополнительного источника питания для компаратора, что ухудшает массогабаритные показатели.

Для заявленного изобретения выявлены следующие общие с прототипом существенные признаки: драйвер, содержащий 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, также обмотка которого включена через последовательно включенный токоограничивающий резистор между затвором и истоком управляемого ключа, между вторичной отпирающего трансформатора 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.

Технической проблемой изобретения является отсутствие возможности функционирования без дополнительного источника питания для компаратора, а также невозможность осуществить регулирование коэффициента заполнения более 80%.

Технический результат – улучшение габаритных показателей за счет исключения дополнительного источника питания, расширение коэффициента заполнения за счет более широкого порога срабатывания МОП-транзистора, по сравнению с компаратором и расширение области применения драйвера за счет увеличенного коэффициента заполнения.

Технический результат достигается, а техническая проблема решается тем, что компаратор заменяется на цепь с p-канальным транзистором, между первичной обмоткой трансформатора и затворным резистором включен диод катодом к резистору, анодом к трансформатору, отсекающий отрицательную составляющую напряжения трансформатора; первичная обмотка которого подключена к истоку p-канального транзистора, сток которого подключен к точке питания схемы и последовательно соединенного диода анодом и резистором на общую точку схемы, через резистивно-емкостную цепь к точке подачи входного управляющего сигнала.

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 более широкого порога срабатывания МОП-транзистора.

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

Устройство управления силовым (фиг. 1) транзистором содержит трансформатор 2 открытия ключа, с одной стороны первичная обмотка включения силового транзистора подключена параллельно резистору 1, через резистор 20 к питанию схемы 21, другой частью к стоку транзистора 18, подключенному к резистивному делителю напряжения, состоящему из резисторов 17 и 19, который подключен резистором 17 и истоком транзистора 18 в общую точку 25. Вторичная обмотка через диод 3 и токоограничивающий резистор 4, который подключен к резистору 5 и затвору силового транзистора 23. Запирающий трансформатор 8, вторичная обмотка которого шунтируется обратным диодом 7, формирует импульс, управляющий запирающим транзистором 6, который подключен между затвором силового транзистора 23 и истоком управляемого транзистора 24, первичная обмотка подключена к общей точке 11 через резистивный делитель, состоящий из резисторов 9 и 10, к стоку p-канального транзистора 12. Исток p-канального транзистора 12 подключен к питанию резистора 13, входящего в состав дифференциальной цепи, на которой повышенное напряжение, формируемое дифференциальной цепью шунтируется с помощью диода 15, подключенного катодом к истоку p-канального транзистора 12 и к питанию схемы 21, затвор через резистор 14 и конденсатор 16 к точке подачи 22 управляющего входного сигнала.

Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.

Формирование на входе управляющего входного сигнала 22 импульса отпирания управляемого силового транзистора обусловливает появление напряжения на резистивном делителе напряжения, состоящем из резисторов 19 и 17, которое поступает на затвор транзистора 18, подключенный истоком к общей точке. К первичной обмотке трансформатора отпирания ключа 1 подключается напряжение источника, которое преобразуется в напряжение вторичной обмотки и, проходя через диод 3 и токоограничивающий резистор 4, заряжает затворную емкость управляемого транзистора. Напряжение, поданное с управляющего входного сигнала 22, через диод 15 разряжает конденсатор 16 до значения, равного разности питающего и управляющего напряжений, что обеспечивает закрытое состояние p-канального транзистора 12.

При снятии управляющего напряжения со входа управления, в резисторе 1 возникают токи размагничивания трансформатора 2, формирующие обратный выброс напряжения на обмотках, но смещенный в обратном направлении диод 3, включенный последовательно с токоограничивающим резистором 4, не позволяет приложить к затвору транзистора сформированное трансформатором отрицательное напряжение, поскольку на силовом транзисторе отрицательное напряжение не может превышать некоторого значения. При этом при заряде конденсатора 16 прикладывается отпирающее напряжение к затвору p-канального транзистора 12, который формирует сигнал, обеспечивающий высокую скорость запирания управляемого силового транзистора. Далее процесс повторяется.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к разработке импульсных преобразователей электрической энергии в качестве драйвера управления силовым транзистором. Технический результат – улучшение габаритных показателей за счет исключения дополнительного источника питания, расширение коэффициента заполнения за счет более широкого порога срабатывания МОП-транзистора по сравнению с компаратором и расширение области применения драйвера за счет увеличенного коэффициента заполнения. Он достигается тем, что предложено устройство управления силовым транзистором с дифференциальным звеном на p-канальном транзисторе, в котором введен дополнительный формирователь запирающего импульса, построенный на цепи с p-канальным транзистором в первичной обмотке трансформатора. 1 ил.

Устройство управления силовым транзистором с дифференциальным звеном на p-канальном транзисторе, 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, между вторичной обмоткой отпирающего трансформатора 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, отличающийся тем, что первичная обмотка запирающего трансформатора одним выводом включена параллельно резистору, входящего в состав резистивного делителя, который подключен к общей точке цепи, а другим к стоку p-канального транзистора, который подключен истоком к питанию и катоду шунтирующего диода, который способствует разряжению конденсатора в дифференциальной цепи, подключенной ко входу управления силовым транзистором, который путем разделения цепи на резистивно-емкостную цепь и резистор, подключенный к питанию и истоку транзистора, подключен к затвору p-канального транзистора.