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

Изобретение относится к преобрззова- тельной технике и может быть использовано для управления силовым полупроводниковым ключом, в частности транзистором, в высокочастотных полупроводниковых преобразователях.

Известен транзисторный ключ, содержащий основной транзистор и блок управления с входным трансформатором, обеспечивающим гальваническую развязку,

Недостатком устройства является работа основного трансформатора с подмагни- чиванием, что ухудшает массогабаритные показатели транзисторного ключа.

Известно устройство управления силовым транзистором, содержащее основной и вспомогательный генераторы прямоугольных импульсов, связанные между собой фа- зосдвигающим узлом , основной и вспомогательный согласующие трансформаторы, первичные обмотки которых подключены к соответствующим генераторам.

Недостатком устройства является узкий диапазон регулирования. В устройстве импульс отпирающего напряжения формируется тогда, когда выходное напряжение обоих генераторов положительно. В противном случае устройство формирует запирающее напряжение, прикладываемое к управляющему переходу транзистора. Таким образом ширина импульса отпирающего напряжения не может быть больше половины периода работы генераторов, а Значит, управление длительностью открытого состояния силового транзистора ограничено.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для управления силовым, транзисторным ключом, содержащее генератор импульсов, основной трансформатор, вторичная обмотка которого выполнена со средним выводом, использованным в качестве первой выходной клеммы устройства, два ключа с двусторонней проводимостью, первые выводы которых соединены с соответствующими крайними выводами вторичной обмотки основного трансформатора, а вторые выводы объединены и использованы в качестве второй выходной клеммы устройства, и дополнительный трансформатор, две вторичные обмотки которого соединены с управляющими входами ключей с двусторонней проводимостью.

Недостатками известного устройства являются ограниченный частотный диапазон формируемых импульсов и низкая надежность функционирования. В известном устройстве используются ключи с двусторонней проводимостью на тиристорах с ог-

раниченной частотой переключения порядка единиц кГц, Применение полностью управляемых ключей с двусторонней проводимостью в известном устройстве невозможно, так как используемый в устройстве селектор длительности импульсов формирует узкие импульсы управления только для включения соответствующих тиристоров. Кроме того, при несогласованно0 сти импульса управления силовым транзистором с частотой генератора импульсов задержка фронтов формируемого устройством импульса управления силовым транзистором не определена, что вызывает

5 неопределенность моментов переключения- силового ключа, которая может вызывать сбои в работе преобразователя.

Целью изобретения является расширение частотного диапазона и повышение на0 дежности функционирования.

В устройство для управления силовым полупроводниковым ключом, содержащее генератор импульсов, основной трансформатор, вторичная обмотка которого выпол5 нена со средним выводом, использованным в качестве первой выходной клеммы устройства, два ключа с двусторонней проводимостью, первые выводы которых соединены с соответствующими крайними выводами

0 вторичной обмотки основного трансформатора, а вторые выводы обьединены и использованы в качестве второй выходной клеммы устройства, и дополнительный трансформатор, две вторичные обмотки ко5 торого соединены с управляющими входами ключей с двусторонней проводимостью, введены фазосдвигающий узел, D-триггер и счетный триггер, тактовый вход которого соединен с выходом генератора импульсов,

0 прямой и инверсный выходы соединены с выводами первичной обмотки основного трансформатора, а прямой выход соединен с установочным входом D-триггера , тактовый вход которого соединен с выходом ге5 нератора импульсов через фазосдвигающий узел, вход задания фазового сдвига которого использован в качестве входа устройства, причем прямой и инверсный выходы D-триггера соединены с выводами первичной об0 мотки дополнительного трансформатора, а ключи с двусторонней проводимостью выполнены полностью управляемыми.

На фиг. 1 представлена электрическая принципиальная схема устройства для уп5 равления силовым полупроводниковым ключом, в частности транзисторным; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства; на фиг. 3 - электрическая принципиальная схема фа- зосдвигающего узла; на фиг. 4 - временные

диаграммы, поясняющие принцип работы фазосдвигающего узла

Устройство для управления силовым полупроводниковым ключом, в частности транзисторным (фиг, 1), содержит генератор 1 импульсов, выход которого подключен к тактовому входу счетного триггера 2, а через фазосдвигающий узел 3 - к тактовому входу D-триггера 4,основной трансформатор 5, средний вывод вторичной обмотки которого образует первую выходную клемму б устройства, полностью управляемые ключи с двусторонней проводимостью 7 и 8, первые выводы которых подключены к выводам вто- ричной обмотки основного трансформатора 5, а вторичные выводы объединены и образуют вторую выходную клемму 9 устройства, дополнительный трансформатор 10, первичная обмотка которого подключена к выходам D-триггера 4, а две вторичные обмотки 11 и 12 соединены с управляющими входами ключей с двусторонней проводимостью 7 и 8 соответственно.

На временных диаграммах (фиг. 2), поясняющих принцип работы устройства, представлены выходной сигнал 13 генератора 1 импульсов, сигнал 14 на прямом выходе счетного триггера 2, выходной сигнал

15фазосдвигающего устройства 3, сигнал

16на прямом выходе D-триггера 4, форма

17напряжения на вторичной обмотке основного трансформатора 5, напряжение 18 на вторичной обмотке 11 дополнительного трансформатора Ю, напряжение 19 на вторичной обмотке 12 дополнительного трансформатора 10. напряжение 20 на выходе устройства.

Фазосдвигающий узел (фиг 3) содержит компаратор 21, выход 22 которого является выходом фазосдвигающего узла, а инвертирующий вход 23 является входом задания фазового сдвига генератор пилообразного напряжения на транзисторах 24 и 25, резисторах 26 и 27 и конденсаторе 28, тактовый вход 29 которого является входом фазосдвигающего узла, а выход 30 подключен к прямому входу компаратора 21.

На временных диаграммах (фиг. 4), поясняющих принцип работы фазосдвигающего узла, представлены входные импульсы фазосдвигающего узла, сигналы 32 на прямом и инверсном входах компаратора, сигнал 33 на выходе компаратора

Устройство для управления силовым полупроводниковым ключом работает следующим образом (фиг 1 и 2)

Частоту fn повторения импульсов, формируемых устройством управления силовым полупроводниковым ключом, задает генератор 1, выходные импульсы 13 которого поступают на вход фазосдвигающего узла

3и тактовый вход счетного триггера 2, последний формирует меандр напряжения 14 с частотой fn/2, которое трансформируется

основным трансформатором 5 во вторичную обмотку (фиг. 2, 17). На выходе фазосдвигающего узла 3 формируются импульсы 15 передний фронт которых задержан относительно переднего фронта выходных импуль0 сов 13 генератора 1 на время Д t (фиг. 2), определяемое заданием фазового сдвига на входе устройства.

D-триггер 4 переключается по переднему фронту импульсов 15 в состояние, соот5 ветствующее состоянию счетного триггера 2, так как прямой выход последнего подключен к установочному входу D-триггера 4. Напряжение 16 на прямом выходе D-триггера

4трансформируется дополнительным 0 трансформатором 10 во вторичные обмотки

11 и 12 (напряжения 18 и 19 соответственно) Положительное напряжение на обмотке 11 переводит ключ с двусторонней проводимостью 7 в замкнутое состояние, а отрица5 тельное - в разомкнутое Аналогично управляется ключ с двусторонней проводимостью 8 напряжением на вторичной обмотке 12

Положительное напряжение 20 на вы0 ходных клеммах 6-9 устройства устанавливается на интервалах времени; когда совпадают состояния счетного триггера 2 и D-триггера 4 (фиг. 2, 2 -i 2). На интер- вале ti-t i (фиг. 2) положительный потенци5 ал начала вторичной обмотки основного трансформатора 5 передается выходной клемме 9 через замкнутый ключ с двусторонней проводимостью 7, а на интервале (фиг 2), когда напряжение 17 на вто0 ричной обмотке основного трансформатора

5меняет знак, положительный потенциал конца вторичной обмотки основного трансформатора 5 передается выходной клемме 9 через замкнутый ключ с двусторонней про5 водимостью 8.

На интервалах времени с различным состоянием счетного триггера 2 и D-триггера 4 (фиг 2, t0-ti; t i-t2), на выходных клеммах 6 и 7 устанавливается отрицательное

0 напряжение 20. На интервале (фиг 2) отрицательный потенциал конца вторичной обмотки основного трансформатора 5 передается к выходной клемме 9 через замкнутый ключ с двусторонней проводимостью 8,

5 а на интервале t i-t2 (фиг 2), когда напряжение 17 на вторичной обмотке основного трансформатора меняет знак, отрицательный потенциал «начала вторичной обмотки основного трансформатора 5 передается к выходной клемме 9 через замкнутый с

двусторонней, проводимостью 7 Дальше указанный процесс повторяется

В устройстве для управления силовым полупроводниковым ключом генератор 1 импульсов выполнен на логических интег- ральных микросхемах, счетный триггер 2 и D-триггер 4 имеют выходные усилители тока, что позволяет подключать непосредственно . к их выходам основной трансформатор 5 и дополнительный транс- форматор 10 соответственно, в качестве которых использовались импульсные трансформаторы МИТ-12. Ключи с двусторонней проводимостью выполнены на транзисторах 2Т908А, включенных в диагонали диодных мостов, собранных на диодах КД212А Фазосдвигающий узел 3 (фиг. 3 и 4) выполнен на компараторе 21 (К554САЗ) и генераторе пилообразного напряжения, собранном на транзисторах 24 (КП103Е), 25 (КТ630Б), резисторах 26, 27 и конденсаторе 28

Принцип работы фазосдвигающего узла 3 заключается в сравнении напряжения задания фазового сдвига на входе 23 с пило- образным напряжением на выходе 30, поступающих на входы компаратора 21. Устройство для управления силовым полупроводниковым ключом формирует управляющее напряжение транзисторного ключа КТ847 в преобразователе, работающем на частоте 20 кГц

Устройство для управления силовым полупроводниковым ключом позволяет существенно повысить частоту формируемых импульсов, что дает возможность выбирать тактовую частоту преобразователей в десятки кГц, снижая массогабаритные показатели реактивных элементов преобразователя Кроме того, жесткая связь между уровнем задания фразового сдвига на входе устройства и длительностью формируемого отрицательного импульса устраняет возможность сбоя в работе устройства, что повышает надежность его функционирования.

Формула изобретения Устройство для управления силовым полупроводниковым ключом, содержащее генератор импульсов, основной трансформатор, вторичная обмотка которого выполнена со средним выводом, использованным в качестве первой выходной клеммы устройства, два ключа с двусторонней проводимостью, первые выводы которых соединены с соответствующими крайними выводами вторичной обмотки основного трансформатора, а вторые выводы объединены и использованы в качестве второй выходной клеммы устройства, и дополнительный трансформатор, две вторичные обмотки которого соедт эны с управляющими входами ключей с двусторонней проводимостью, отличающееся тем, что, с целью расширения частотного диапазона и повышения надежности, введены фазосд- вигающий узел, D-триггер и счетный триггер, тактовый вход которого соединен с выходом генератора импульсов, прямой и инверсный выходы соединены с выводами первичной обмотки основного трансформатора, а прямой выход соединен с установоч ным входом D-триггера, тактовый вход которого соединен с выходом генератора импульсов через Фазосдвигающий узел, вход задания фазового сдвига которого использован в качестве входа устройства, причем прямой и инверсный выходы D-триггера соединены с выводами первичной обмотки дополнительного трансформатора, а ключи с двусторонней проводимостью выполнены полностью управляемыми

Сущность изобретения- при наличии сигнала запирания на управляющем входе фазосдвигающего узла 3 состояние аналогичны выходов счетного триггера 2 и D- триггера 4 различно и ключи с двусторонней проводимостью 7 и 8 обеспечивают формирование на выходной клемме 9 устройства отрицательного импульса напряжения При наличии сигнала запирания на управляющем входе фазосдвигающего узла триггеры работают синфазно и на выходной клемме формируется отрицательный импульс напряжения ФазосдвигающИйузел обеспечивает регулирование фазового сдвига выходного сигнала относительно сигнала, поступающего на его вход с выхода генератора 1 импульсов 4 ил. Ё VI СЛ 1 О 4 М Фиг.1

JL

3

Я

J3

JL

Я

Я