Высоковольтный переключатель Советский патент 1992 года по МПК H03K17/60 

Изобретение относится к импульсной технике, может найти применение, преимущественно, в повышающих преобразователях постоянного напряжения в постоянное, в частности, используемых для питания тех- нологических электроннолучевых установок для обработки металлов, и является усовершенствованием известного переключателя по авт. св. № 1554132.

Известен высоковольтный переключа- тель, который содержит М силовых транзисторов, источник питания, основной силовой дроссель, М-1 вспомогательных силовых дросселей, основной силовой диод, М-1 вспомогательных силовых диодов, М накопительных конденсаторов,М стабилитронов, нагрузку и М защитных диодов. Имеются также М-1 трансформаторов с первичными и вторичными обмотками и внешний источник управляющего тока, под- ключенный к базе первого силового транзистора. Отрицательный полюс источника питания соединен с эмиттером первого силового транзистора, а положительный полюс через основной силовой дроссель соединен с коллектором М-го силового транзистора и с анодом основного силового диода. Его катод через включенные последовательно накопительные конденсаторы, каждый из которых зашунтирован соответ- ствующим стабилитроном, соединен с эмиттером первого силового транзистора. Положительный полюс источника питания соединен через соответствующие вспомогательные дроссели с эмиттерами соответст- вующих силовых транзисторов, кроме первого, с анодами соответствующих защитных диодов, кроме первого, и с точками соединения включенных согласно первичных и вторичных обмоток соответствующих трансформаторов. Коллектор каждого предыдущего силового транзистора соединен с эмиттером последующего транзистора через вторичную обмотку соответствующего трансформатора. Крайние выводы первич- ных обмоток тех же трансформаторов соединены с базами соответствующих силовых транзисторов, кроме первого, и с катодами соответствующих защитных диодов, кроме первого, и с анодами соответствующих вспомогательных силовых диодов. Катоды этих диодов подключены к катодам соответствующих стабилитронов, кроме последнего. Нагрузка включена между катодом основного силового диода и эмиттером пер- вого силового транзистора, к которому подключен анод первого защитного диода, катод которого соединен с базой того же транзистора.

Однако в высоковольтном переключателе при возникновении перегрузки по току, вызванной, например, увеличением длительности импульса управляющего тока, возможен отказ из-за вторичного пробоя прежде всего первого силового транзистора (он наиболее сильно загружен по току).

Целью изобретения является защита от перегрузок по току.

В высоковольтный переключатель введены дополнительные управляющий транзистор, первый, второй и третий разделительные диоды. Кроме того, введены транзисторная оптопара, конденсатор, балластный резистор и делитель напряжения. Вход делителя подключен параллельно первому силовому транзистору, база которого соединена с коллектором управляющего транзистора, база которого соединена с выходом делителя напряжения, а эмиттер соединен с коллектором фототранзистора оптопэры. Эмиттер фототранзистора соединен -ерез первый разделительный диод, включенный в проводящем направлении, с эмиттером первого силового транзистора. Встречно-параллельно по отношению к первому разделительному диоду подключены соединенные последовательно и согласно второй и третий разделительный диоды. При этом эмиттер фототранзистора через включенные последовательно конденсатор и балластный резистор соединен с эмиттером второго силового транзистора и с анодом светодиода оптопары, катод которого соединен с коллектором первого силового транзистора.

Благодаря введению в высоковольтный переключатель дополнительных управляющего транзистора и трех разделительных диодов, а также введению транзисторной оптопары, конденсатора, балластного резистора и делителя напряжения с указанными связями, достигается запирание всех силовых транзисторов при возникновении токовой перегрузки и выходе первого силового транзистора, наиболее загруженного по току, из режима насыщения. Этим обеспечивается защита устройства.

На фиг.1 показана принципиальная электрическая схема предлагаемого высоковольтного переключателя; на фиг.2 - временные диаграммы напряжений.

Предлагаемый высоковольтный переключатель (фиг. 1) содержит М силовых транзисторов 1.1...1.М, источник 2 питания, основной силовой дроссель 3, М-1 вспомогательных силовых дросселей 4.1...4.(М-1), основной силовой диод 5, М-1 вспомогательных силовых диодов 6.1...6.(М-1), М накопительных конденсаторов 7.1...7.М, М

стабилитронов 8.1...8.М, нагрузку 9, М защитных диодов 10.1...10.М и М-1 трансформаторов 11.1...11.(М-1) с первичными 12 и вторичными 13 обмотками. Имеется также внешний источник управляющего тока 1упр, подключенный к базе первого силового транзистора 1.1, зашунтированной резистором 14.

Кроме того, в переключатель введены дополнительные управляющий транзистор 15, первый 16, второй 17 и третий 18 разделительные диоды, а также транзисторная оптопара 19, конденсатор 20, балластный резистор 21 и делитель 22 напряжения.

При этом отрицательный полюс источ- ника 2 питания соединен с эмиттером транзистора 1.1, а положительный полюс через дроссель 3 соединен с коллектором транзистора 1 .М и с анодом диода 5. Катод диода 5 через включенные последовательно кон- денсаторы 7.1...7.М, каждый из которых за- шунтировансоответствующим

стабилитроном 8.1...8.М.соединен с эмиттером транзистора 1.1. Положительный полюс источника 2 соединен через соответствую- щие дроссели 4.1...4(М-1) с эмиттерами соответствующих силовых транзисторов 1.2...1.М, кроме первого транзистора 1.1, с анодами-диодов 10.2...10.М, кроме первого диода 10.1, и с точками соединения вклю- ченных согласно обмоток 12 и 13 у соответствующих трансформаторов 11.1... 11.(М-1). Коллектор каждого предыдущего транзистора 1.1...1(М-1) соединен с эмиттером последующего транзистора 1.2....Ш через обмотку 13 соответствующего трансформатора 11.1...11.(М-1). Крайние выводы обмоток 12 тех же трансформаторов соединены с базами соответствующих транзисторов 1.2...1.М, кроме первого транзистора 1.1, с катодами соответствующих диодов 10.2...10.М, кроме первого диода 10.1, и с анодами соответствующих диодов 6.1...6.(М-1). Катоды этих диодов подключены к катодам соответствующих стабилитро- н.ов 8.1 ...8.(М-1), кроме последнего стабилитрона 8.М. Нагрузка 9 включена между катодом диода 5 и эмиттером транзистора 1.1, к которому подключен анод диода 10.1, катод которого соединен с базой того же транзистора 1.1.

Вход делителя 22 напряжения подключен параллельно первому силовому транзистору 1.1. база которого соединена с коллектором управляющего транзистора 15, база которого соединена с выходом делителя 22, а эмиттер соединен с коллектором фототранзистора оптопары 19. Эмиттер фототранзистора соединен через первый разделительный диод 16, включенный в

проводящем направлении, с эмиттером транзистора 1.1. Встречно-параллельно по отношению к диоду 16 подключены соединенные последовательно и согласно диоды 17 и 18. При этом эмиттер фототранзистора в оптопаре 19 через включенные последовательно конденсатор 20 и балластный резистор 21 соединен с эмиттером второго силового транзистора 1.2 и с анодом свето- диода оптопары 19, катод которого соединен с коллектором первого силового транзистора 1.1. В ряде случаев светодиод оптопары 19 может быть зашунтирован резистором 23, а база-эмиттерный переход фототранзистора - резистором 24.

Предлагаемый высоковольтный переключатель работает следующим образом.

В интервалах между импульсами управляющего тока 1Упр происходит заряд конденсатора 20 по цепи положительный полюс источника 2 - дроссель 4.1 - резистор 21 - конденсатор 20 - разделительный диод 16 - отрицательный полюс источника 2. Диоды 17 и 18 при этом заперты. Падение напряжения Ер на диоде 16 при этом положительно относительно отрицательного полюса источника 2 (фиг.2г). Напряжение EI на коллекторе транзистора 1;,1 примерно равно напряжению Еа источника 2, напряжение Е22 на выходе делителя 22 оказывается достаточным для отпирания транзистора 15 (фиг.2ж). Однако ввиду отсутствия тока коллектора транзистора 1.1, который протекает через обмотку 13 трансформатора 11.1, светодиод в оптопаре 19 не излучает свет. Поэтому фототранзистор, включенный последовательно с транзистором, остается запертым. Цепь базы транзистора 1.1 в этих условиях оказывается не зашунтированной.

В момент времени Ti на базу транзистора 1.1 поступаетуправляющий импульс тока lynp от внешнего источника, при этом транзистор 1.1 насыщается и через него от источника 2, дроссель 4.1 и обмотку 13 трансформатора 11.1 начинается протекание пилообразного тока И коллектора (фиг.2а). Напряжение Ei на коллекторе при этом спадает от величины Е2 напряжения источника 2 почти до нуля (фиг.2в). Протекание тока И коллектора транзистора 1.1 через обмотку 13 трансформатора 11.1 вызывает появление положительного импульса напряжения на обмотке 12 того же трансформатора и на базе силового транзистора 1.2, который переходит в насыщенное состояние. При этом начинается протекание тока И коллектора транзистора от источника 2 через дроссель 4. (М-1), обмотку 13 трансформатора 11. (М-1), насыщенный транзистор 1.2, обмотку 13 трансформатора 11.1 и

насыщенный транзистор 1.1. Аналогично описанному под действием возникающего в этих условиях положительного импульса на обмотке 12 трансформатора 11.(М-1) насыщается силовой транзистор 1.М. При этом начинается протекание тока И коллектора транзистора 1.М от источника 2 через дроссель 3, насыщенный транзистор 1 .М, обмотку 13 трансформатора 11.(М-1), насыщенный транзистор 1.2, обмотку 13 трансформатора 11.1 и насыщенный транзистор 1.1. В итоге ток коллектора транзистора 1.М равен И, ток коллектора транзистора 1.2 равен 2h (при М 3), а ток коллектора транзистора 1.1 равен МН ЗН. Диоды 5. 10.1...10.М и 6.1...6. (М-1) при этом заперты. Ток базы Iss-lynp транзистора 1.1 должен быть достаточным для того, чтобы обеспечить протекание тока коллектора, равного МИ в режиме насыщения (фиг.2д). При этом напряжение на выходе делителя 22 оказывается недостаточным для отпирания транзистора 15. Самый тяжелый режим по току имеет место у транзистора 1.1 - он поэтому прежде всего нуждается в защите. В момент Т2 импульс тока управления 1Упр на базе транзистора 1.1 заканчивается и транзистор запирается (фиг.2а, б). Под действием ЭДС самоиндукции, возникающей в этих условиях в дросселе 4.1, отпираются диоды 10.2 и 6.1 энергия, накопленная к моменту времени Т2 в индуктивности дросселя 4.1, передается через указанные диоды в конденсатор 7.1. Одновременно на базе транзистора 1.2 появляется отрицательный импульс, ограничиваемый по амплитуде диодом 10.2 чем обеспечивается запирание транзистора 1.2. Аналогичным образом происходит отпирание диодов 10.М и 6.(М-1), передача энергии из индуктивности дросселя 4.(М-1) в конденсаторы 7.1 и 7.2 и запирание транзистора 1.М. После этого энергия, накопленная в индуктивности дросселя 3, вызывает появление ЭДС самоиндукции, под действием которой отпирается диод 5, через него накопленная энергия передается током ъ в последовательно соединенные конденсаторы 7.1...7..М, заряжая их до данного напряжения Eg, которое прикладывается к нагрузке 9 (фиг.2е). Во время насыщенного состояния транзистора 1.1 конденсатор 20 разряжается через него, балластный резистор 21 и диоды 17 и 18. При этом диод 16 запирается, а на диодах 17 и 18 и на эмиттере фототранзистора в оптопаре 19 появляется отрицательное напряжение Ер (фиг.2ж). Благодаря наличию стабилитронов 8.1...8.М напряжение Eg не может превысить максимально допустимого значения.

Падение напряжения Ек на промежутках коллектор-эмиттер запертых силовых транзисторов 1.1...1.М при этом не может превысить значения, равного Ее, т.е. напряжения стабилизации однотипных стабилитронов 8.1...8.М, в противном случае происходит отпирание какого-либо из диодов 6.1...6.(М-1).

Если ток МИ через обмотку 13 транс0 форматора 11.1 и через транзистор 1.1 не превышает максимально допустимой величины Доп в течение интервала времени (Тч, Т2), а транзистор 1.1 остается насыщенным, то напряжение Ј22 на выходе делителя 22 не

5 достаточно для отпирания транзистора 15 (фиг.2ж). Ток МИ, протекающий через обмотку 13 трансформатора 11.1, в этих условиях не достаточен для отпирания светодиода в оптопаре 19. Транзистор 15 и

0 фототранзистор в оптопаре 19 остаются запертыми и не шунтируют базу силового транзистора 1.1,

Если по какой-либо причине, например из-за увеличения длительности импульса

5 управляющего тока lynp, ток МН через транзистор 1.1 возрастает в момент времени Тз до максимальной допустимой величины доп, то транзистор 1.1 (самый сильно нагруженный по току) выходит из состояния насы0 щения и переходит в активный режим: напряжение Е-i на нем возрастает, что приводит к возрастанию напряжения Е22 на выходе делителя 22 и отпиранию транзистора 15 (фиг.2а...ж, штриховые линии). Одновре5 менно из-за увеличения падения напряжения на обмотке 13 трансформатора 11.1 отпирается светодиод в оптопаре 19, отпирается и фототранзистор. В результате через базу силового транзистора № 1 и

0 открытые транзистор 15 и фототранзистор в оптопаре 19 начинает протекать импульс тока IB отрицательной полярности с длительностью Тз (фиг.2д, штриховые линии), замыкающийся через диоды 17 и 18, на ко5 торых существует напряжение отрицательной полярности Ер (фиг.2г). Поэтому при токовой перегрузке, сопровождающейся переходом самого нагруженного транзистора 1.1 в активный режим, обеспечивается

0 его форсированное запирание. Аналогично описанному следом за транзистором 1.1 запираются и все остальные силовые транзисторы 1.2...1.М.

Положительный технический эффект от

5 использования предлагаемого высоковольтного переключателя состоит в обеспечении защиты от перегрузок подтоку, как следствие, повышается надежность.

На предприятии разработан лабораторный макет предлагаемого высоковольтного

переключателя, в котором использовались транзисторы 1.1...1.М и 15 типа 2Т630Б при М 3, диоды 10.1...10.М, 16...18 типа 2Д522Б, диоды 5 и 6.1 ,.6.(М-1) типа 2Д212А и оптопара 19 типа ЗОЛ 31 А. В устройстве обеспечивалась защита от перегрузок по току на уровне 1доп 0,5 А при выходном напряжении на нагрузке 9 около 150 В и напряжении.питания Е2 27 В. В известном устройстве при токе перегрузки более 0,5 А наблюдались отказы.

Формула изобретения Высоковольтный переключатель по авт.св. № 1554132, отличающийся тем, что, с целью защиты от перегрузок по току, в него введены дополнительные управляющий транзистор, первый, второй и третий разделительные диоды, транзисторная оптопара, конденсатор, балластный резистор и делитель напряжения, вход которого подключен параллельно первому силовому транзистору, база которого соединена с коллектором управляющего транзистора, база которого соединена с выходом делителя напряжения, а эмиттер подключен к коллектору фототранзистора оптопары, эмиттер фототранзистора соединен через первый разделительный диод, который включен в проводящем направлении, с

эмиттером первого силового транзистора, встречно параллельно первому разделительному диоду подключены второй и третий разделительные диоды, которые соединены последовательно и согласно,

эмиттер фототранзистора через конденсатор и балластный резистор, которые включены последовательно, соединен с эмиттером второго силового транзистора и анодом светодиода оптопары, катод которого соединен с коллектором первого силового транзистора.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в преобразователях напряжения. Цель изобретения - защита от перегрузок по току высоковольтного переключателя путем запирания всех силовых транзисторов при возникновении токовой перегрузки. При увеличении тока через транзистор 1.1 выше допустимой величины он переходит в активный режим. Напряжение на выходе делителя 22 возрастает, и транзистор 15 отпирается. Увеличе- ние напряжения на обмотке 13 трансформатора 11.1 приводит к отпиранию фототранзистора оптопары 19. В результате через базу транзистора 1,1 начинает протекать ток отрицательной полярности и он закрывается. 2 ил.