Устройство для управления силовым транзистором Советский патент 1992 года по МПК H02M1/08 

(Л

с

Изобретение Относится к импульсной технике н может быть использовано при разработке вторичны источников питаний переключаемого типа. Целью изобретения является повышение надежности при расширении диапазона рабочих импульсов по длительности. При отпирании ключа 8 конденсатор 6 разряжается на обмотку 2з трансформатора, что приводит к отпиранию транзистора 1. Транзистор I поддерживается в открытом состоянии за счет протекания тока через обмотку 2. После запирания транзистора I энергия размагничивания трансформатора заряжает конденсаторы б и 9 через диоды 7 н 11. Транзистор 5 при этом шунтирует управляющий переход транзистора 1. 3 з. п. ф-лы, 3 ил.

vj

о

D С5

Фиг.1

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано при разработке вторичных источников питания (ВИП) переключательного типа.

Известно устройство для управления силовым транзистором в статическом преобразователе, которое функционирует с минимальным потреблением энергии.

Однако в силу принципиальных особенностей схемного решения применение этого устройства ограничено двухтактными преобразователями, в которых два силовых ключа управляются от общего трансформатора, причем коммутация ключей осуществляется закорачиванием двух обмоток этого трансформатора. Другой недостаток известного устройства связан с необходимостью для начального запуска формировать специальный запускающий импульс с помощью внешнего источника энергии (блок 5/). Кроме того, из-за недостаточной надежности переключения при значении скважности Q много более 4, возможности регулирования (по диапазону нагрузок и входных напряжений) существенно ограничены.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является устройство для управления силовым транзистором импульсного преобразователя напряжения, содержащее трансформатор тока, имеющий дополнительную обмотку, накопительный конденсатор с узлом подзаряда от источника постоянного напряжения, подключенный через выпрямительный диод к первому выводу вторичной обмотки трансформатора тока, управляющий ключ, в цепь которого последовательно включена допблнительная обмотка этого трансформатора, блокирующий транзистор и вольтоограннчительный элемент.

Накопительный конденсатор зашунти- рован последовательной цепочкой из дополнительной обмотки трансформатора тока и управляющего ключа. Через эту же цепочку первый вывод вольтоограннчительного элемента соединен с вторым выводом вторичной обмотки трансформатора тока, его второй вывод соединен с базой блокирующего транзистора. Второй вывод вторичной обмотки трансформатора тока, второй вывод накопительного конденсатора и коллектор блокирующего транзистора соединены с базой силового транзистора. Эмиттер блокирующего транзистора соединен с эмиттером силового транзистора, а их общая точка соединена с первым выводом вторичной об- моткн.

Это устройство обеспечивает достаточно высокую надежность в релейных режимах регулирования, т. е. при постоянной или близкой к постоянной длительности рабочего импульса. Однако в преобразователях с ШИМ-структурой регулирования, т. е. при переменной длительности рабочего импуль- а, это устройство управления может при

вести к ложным срабатываниям силового транзистора. Действительно, при уменьшении длительности рабочего импульса /„ уровень напряжения накопительного конден5 сатора может оказаться ниже порогового напряжения вольтоограйнчительного элемента, в результате чего база-коллекторный переход блокирующего транзистора останется закрытым. В результате отсутствия

10 блокировки появляется возможность повторного (ложного) срабатывания силового ключа, например из-за коммутационных помех после закрывания силового транзистора.

1S Цель изобретения - повышение надежности управления при расширении лиапа- зона рабочих импульсов по длительности - достигается тем, что в устройство управле- ния силовым транзистором, содержащее трансформатор тока, первичная обмотка

20 которого предназначена для -последовательного включения в силовую цепь силового транзистора, для подключения к базе которого предназначены первые выводы вторичной и дополнительной обмоток трансформа 25 тора тока, второй вывод дополнительной обмотки трансформатора тока соединен с первым выводом управляющего ключа, второй вывод которого соединен с первым выводом первого узла подзаряла, второй вывод которого соединен с первым выводом второго

30 узла подзаряда, второй вывод которого предназначен для подключения к первому выводу источника напряжения, для подключения к второму выводу которого предназначен первый вывод накопительного конденсатора, второй вывод которого соединен с первым

35 выводом первого выпрямительного диода, второй вывод которого соединен с вторим выводом вторичной обмотки трансформатора тока, первый вывод которой соединен с,первым выводом накопительного конден40 сатора и коллектором блокирующего транзистора, введены токоограничительный элемент, блокирующий конденсатор, второй выпрямительный диод, запирающий диод и компенсирующий диод, второй вывод которого предназначен для подключения к эмит45 теру силового транзистора, а первый вывод соединен с вторыми выводами первого и второго выпрямительных диодов и первым выводом запирающего диода, второй вывод . Которого соединен с эмиттером блокирующего транзистора, база которого соединена с первым выводом токоограничительного элемента, второй вывод которого соединен с первым выводом второго выпрямительного диода и первым выводом блокирующего конденсатора, второй вывод которого соеди5 нен с первым выводом первого узла подзаряда.

В качестве токоограничителыюго элемента может быть использован резистор. Для обеспечения независимости параметров схемы от входного напряжения силового

транзистора токоограннчительный элемент выполняется на генераторе тока с гадающим резистором.

В варианте выполнения юкоограничи- тельного элемента на генераторе тока в него может быть введен диод отсечки, первый вывод которого соединен с первым выводом второго выпрямительного диода, а второй вывод - с коллектором блокирующего транзистора.

На фиг I приведена электрическая схема устройства управления в варианте выполнения токоограннчительного элемента на резисторе; на фиг. 2 - то же, на генераторе тока; на фиг. 3 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства, где обозначения в скобках даны для схемы по фиг. 2.

Устройство управления транзисторным ключом I (фиг. I) содержит трансформатор 2 тока, первичная обмотка 2.1 которого включена в силовую цепь ключа I, а вторичная обмотка 2.2 одним выводом подключена через компенсирующий диод 3 к эмиттеру силового ключа I. а через запирающий диод 4 - к эмиттеру блокирующего транзистора 5 устройства. Первый вывод обмотки 2.2 соединен с базой транзистора I. Накопительный конденсатор 6 первым выводом соединен через выпрямительный диод 7 с вторым выводом обмотки 2.2, а вторым - с базой транзистора I. Вторичная обмотка 2.2 и выпрямительный диод 7 образуют первый узел подзаряда. Конденсатор 6 зашунтиро- ван цепью из последовательно соединенных управляющего ключа 8 с дополнительной обмоткой 2.3 (в приведенном варианте реализации обмотка 2.3 показана со стороны связи конденсатора 6 с базой силового транзистора 1). С вторым выводом накопительного конденсатора 6 связан блокирующий конденсатор 9. другой вывод которого через токоограничйтелышй резистор 10 соединен с базой блокирующего транзистора 5 и через выпрямительный диод I 1 с вторым выводом обмотки 2.2 Коллектор блокирующего транзистора 5 подключен к базе силового транзистора I Учел 12 подзаряда предназначен для подпитки накопительного конденсатора 6 и нужен в основном для первого пуска ключа 8 после включения устройства.

В схеме, показанной на фиг 2, токпогра- ничительный элемент 10 выполнен на генераторе тока (с реализацией на транзисторе с диодом подпора в базовой пени) и задающем резисторе

Пунктиром на обеих схемах показаны элементы форсирования включения - конденсатор 13 (ни нтирующпй цепь «(Элемент 10 - конденсатор П) и резне юр N (включенный в пень управляющею ключа 8 со стороны выпрямительных диодов).

Устройство управления с реализацией по фиг. 2 может дополнительно содержать диод 15 отсечки, включенный мгжду вход ным выводом резистора р.итчитсльното элемента 10 и базой спитого транзит- тора I. а также цепь подпитки, обря шпмн- ную резисторами 16. 17, связанными с источником постоянного напряжения U..,.t, свободные выводы которых подсоединены в блоке 10 к входному выводу задающего резистора и к общей точке диода подпора с транзистором (показано пунктиром)

Узел 12 подзаряда предназначен для

подпитки накопительного конденсатора 6 и нужен в основном для первого пуска ключа 8 после включения устройства. В приведенной на с.хеме реализации он содержит конденсатор в последовательном соединении

с резистором и диод, подключающий их общую точку к второму выводу конденсатора 6. В простейшем случае он может быть реализован только на резисторе

В качестве управляющего ключа 8 может быть использован триггерный ключ на ком0 плементарных транзисторах, управляемый оптроном, либо блокинг-генератор с оптрон- ным или трансформаторным запуском.

Емкость конденсатора 9 выбирается в несколько раз меньше емкости конденсатора б

1 (например, на порядок).

Устройство работает следующим образом

Запуск транзистора I осуществляется кратковременным замыканием управляющего ключа 8. При этом конденсатор 6 разря-

0 жается (эпюра t/« на фиг. 3) через дополнительную обмотку 2.3 до величины UK, (ЦкГ - сумма падений напряжений на обмотке 2.3 и на открытом ключе 8). Импульс тока поступает в эмиттсриую цепь силового транзистора I (эпюра I) с одновременным

5 снятием блокировки. Блокирующий транзистор 5 заперт при отсутствии базового тока (эпюра IV).

При наличии форсирующих элементов 13 и 14 задается длительность запускающего

0 импульса (T RI4Cf) и обеспечивается форсированное запирание транзистора 5 при запуске силового ключа. Далее открытое состояние ключа I поддерживается за счет положительной токовой обратной связи (обмотка 2.1). Длительность включенного состояния /„ силового ключа I ограничивается в силовой цепи известными методами.

После выключения (фиг 3.1, момент /i) силового транзистора I в результате спада тока в его силовой цепи напряжение на обмотке 2.2. меняет знак, открывая выпрямительные диоды 7 и II. и энергия размагничивания трансформатора 2 заряжает конденсаторы 6 и 9 (фиг. 3, II, III).

После заряда конденсатора Ч до напряжения открытого база-коллекторного пере5 хода транзистора 5 (по фиг 2 до напряжения двух переходов: база-э.ммпернын транзистора и диодный элемента |П| открывается транзистор 5. Ток через дно ч II разветвляется: частью замыкается чсре i токоогра- ннчнтельный элемент 10 на второй конец

0

обмотки 2.2, а частью продолжает идти на .ьтряд конденсатора 9.

Инверсному включению транзистора 5 (после появления тока в его базе) препятствует диод 4 Это приводит к тому, что ток размагничивания трансформатора 2 не шунтируется эмиттер-коллекторным переходом транзистора 5, а протекает до полного спа- дания в ноль, заряжая конденсаторы 6 и 9 через диоды 7 и 11. Таким образом, энергия размагничивания используется полностью для последующего запуска силового транзистора I.

В паузах между срабатываниями силового транзистора происходит разряд конденсатора 9 током базы транзистора 5 (на фиг. 2 эмиттерным током транзистора элемента 10, т е также током базы транзистора 5). Это обеспечивает блокирование база-эмиттерного перехода силового транзистора 1 открытым эмиттер-коллекторным переходом транзистора 5. i/

Наличие блокирующего конденсатора 9 (в последовательном включении с конденсатором 6) позволяет разделить процессы накопления энергии (в конденсаторе 6) для последующего запуска силового транзистора 1 и получения энергии (от конденсатора 9) для создания и поддержания его блокировки. Это предотвращает ложные срабатывания силового транзистора I от импульсных помех при перекоммутациях тока в силовых цепях преобразователя.

В варианте выполнения токоограничи- тельного элемента 10 по фиг. 2 схема приоб- ретает дополнительные преимущества: она- менее критична к выбору параметров и режимов работы.

Для надежной работы блокирующего транзистора 5 (фиг. 1) (блокирования силового транзистора 1 во время паузы и запирания на время рабочего импульса /,) перепад напряжения на базе транзистора 5 (At/es) должен превышать напряжение база- эмиттерного перехода силового транзистора (Ut,). (Уц, в зависимости от тока нагрузки (тока силового транзистора I) равно В.

Выражение для перепада напряжения на базе транзистора 5 (фиг. I) имеет вид

Al/e5(/, e +ат/Ц -е-&)-l/WT. где и„ - падение напряжения на диодном

переходе;

1Я - длительность паузы; т - постоянная времени разряда конденсатора 9, равная RIOC9; напряжение на первом выводе накопительного конденсатора 6 (после окончания заряда током размагничивания).

По аналогии для варианта по фиг. 2 вы ражение для перехода напряжения на эмиттере транзистора элемента 10 запишется, как

А (/, -2U, +а 7/Г( I -/IV Наст Для надежной работы блокирующего транзистора (надежного запирания транзистора элемента 10 во время рабочего импульса и отпирания его во время паузы)

достаточно выполнения условия: Д/У, 0,fi В, При наличии элемента 16, и„г подпитки (стабилизирующих напряжение базы транзистора элемента 10) достаточно величины А Ц 0,3 В

Очевидно, что это условие может быть обеспечено для всех режимов работы и параметров элементов устройства.

В рассматриваемой схеме отрицательный потенциал, форсированно запирающий транзистор элемента 10 и блокирующий транзистор 5, может быть зафиксирован диодом 15 отсечки на уровне минус одного диодного перехода, и тогда изменяется только за счет тока подпитки при наличии цепи резистор 17-(Ли, обеспечивающей дополни0 тельную защиту от внешних помех между срабатываниями силового транзистора . I. Ток подпитки задается достаточно малым - из условия, что потенциал в точке соединения блокирующего конденсатора 9 и задаюg шего резистора элемента 10 за время самого длительного импульса „ не должен превышать потенциал открывания база-эмиттерного перехода транзистора и диода токо- ограничительного элемента 10, т. е. потенциала плюс двух диодных переходов.

0 Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает надежное управление не только при использовании в схемах с релейным регулированием, но и в схемах с переменной длительностью рабочего импульса (например, в преобразователях с широтно-импульс5 ным регулированием) при сохранении всех других преимуществ по диапазону входных напряжения и нагрузок, массогабаритных показателей. Кроме того, имеется возможность получения сгибкой (по отношению

0 к параметрам) структуры - не требует особого подбора ни элементов, ни режимов при построении самого устройства управления и нет зависимости их от входного напряжения силового транзистора

5Формула изобретения

I. Устройство для управления силовым транзистором, содержащее трансформатор гока, первичная обмотка которого предназначена для последовательного включения

в силовую иепь силового транзистора, для подключения к базе которого предназначены первые выводы дополнительной и вторичной обмоток трансформатора тока, второй вывод дополнительной обмотки трансформатора

5 тока соединен с первым выводом управляющего ключа, второй вывод которого соединен с первым выводом первого узла поднаряда, второй вывод которого соединен с первым выводом второго узла поднаряда, второй вывод которого предназначен для подключиння к первому выводу источника напряжения для подключения к второму выводу которого предназначен первый вывод накопи ельного конденсатора, второй вывод которого соединен с первым выводом первого выпрямитель- ного диода, второй вывод которого соединен с вторым выводом вторичной обмотки трансформатора тока, первый вывод которой соединен с первым выводом накопительного конденсатора н коллектором блокирующего транзистора, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности при расширении диапазона рабочих импульсов по длительности, введены токоограничнтельный элемент, блокирующий конденсатор, второй выпрямительный диод, запирающий диод и компенсирующий диод, первый вывод которого предназначен для подключения к эмиттеру силового транзистора, а второй вывод соединен с вторым выводом первого и первым выводом второго выпрямительных дио-

дов и первым выводом запирающего диода. второй вывод которого соединен с эмиттером блокирующего транзистора, база которого соединена с первым выводом гокоограни- чительного элемента, второй вывод которого соединен с вторым1 выводом второго выпрямительного диода и первым выводом блокирующего конденсатора, второй вывод которого соединен с первым выводом первого узла подзаряда

« Л 7

LIV

Фиг. 2

и,

/wnj

ш

им

tyjfty

илШЈ /7

t

i

э.

Фие.З