Устройство для управления мощным высоковольтным транзисторным ключом Советский патент 1992 года по МПК H02M1/08 H02H7/12 

1

(21)4918910/07 (22) 14.03.91 (46)30.11.92. Бюл. №44

(71)Специальное конструкторско-техноло- гическое бюро прецизионного оборудования Вектор

(72)Г.Ю.Иванов

(56)Авторское свидетельство СССР N: 1541767, кл. Н 03 К 17/60, 1988.

Авторское свидетельство СССР № 1504751, кл. Н 02 М ./08, 1987., (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ МОЩНЫМ ВЫСОКОВОЛЬТНЫМ ТРАНЗИСТОРНЫМ КЛЮЧОМ

(57)Устройство для управления мощным высоковольтным транзисторным ключом содержит высоковольтный транзистор 1, коллектор которого через предохранитель 2

соединен с первой выходной клеммой 3, эмиттер с коллектором мощного высокочастотного управляющего транзистора 4, эмиттер которого соединен с второй выходной клеммой 5. Конденсатор 6 одним выводом подключен к второй выходной клемме 5, а вторым к эмиттеру транзистора 7, катоду диода 8, база транзистора 7 через резистор 10 и стабилитрон 11 подключена к второй выходной клемме 5. Параллельно база- змиттерному переходу транзистора 7 включен резистор 12. Генератор 13 управляющих импульсов первым выводом 14 соединен с второй выходной клеммой 8. вторым выводом 15 через резистор 16 - с базой управляющего транзистора 4, а через диод 17 и токоограничительный резистор 18 с базой высоковольтного транзистора 1. 1 ил.

(Л

С

VI

vr

00 00 00 Оч

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в преобразователях, ключевых усилителях мощности, источниках электропитания.

Известно устройство для повышения быстродействия высоковольтного транзистора при коммутации высоковольтных нагрузок, содержащее высоковольтный транзистор, коллектор которого соединен с выходной шиной, эмиттер, - с коллектором другого транзистора, эмиттер которого подключен к общей шине, а база которого соединена с выходом управляющего ключа, а также резистор-ограничитель, включенный между клеммой низковольтного источника питания и базой высоковольтного транзистора, к которой подключены также неинвертирующий вход дифференциального усилителя, первый вывод конденсатора и катод стабилитрона, анод которого и второй вывод конденсатора подключены к общей шине, инвертирующий вход дифференциального усилителя подключен к клемме опорного напряжения, а выход к входу управляющего ключа, управляющий вход которого является управляющим входом транзисторного ключа.

В данном устройстве стабилизируется режим работы по базе высоковольтного транзистора и контролируется насыщение другого транзистора, чем обеспечивается малое время выключения ключа.

Недостатком известного устройства является то, что для работы требуется дополнительный источник питания.

Наиболее близким по технической сущности решением является устройство для управления мощным высоковольтным транзисторным ключом, содержащее мощный высоковольтный транзистор, коллектор которого через предохранитель подключен к первой выходной клемме, база через параллельно соединенные диод и резистор к первому выводу конденсатора, второй вывод которого подключен к второй выходной клемме, эмиттер к коллектору мощного высокочастотного управляющего транзистора, эмиттер которого подключен к второй выходной клемме ключа. Генератор управляющих импульсов первым выводом подключен к второй выходной клемме ключа, а вторым выводом через резистор соединен с базой управляющего транзистора и через диод и токоограничительный резистор с базой высоковольтного транзистора. Параллельно управляющему транзистору подключен тиристор, управляющий вход которого соединен с общей точкой стабилитрона и резистора, соединенных

последовательно и подключенных параллельно конденсатору.

Данное устройство обладает большой надежностью, которая обеспечивает резервированием высоковольтных транзисторов. Восстановление работоспособности устройства при отказе одного из высоковольтных транзисторов обеспечивается выжиганием предохранителя, включенного

0 в коллекторную цепь, при устранении возможности приложения высокого напряжения к низковольтному высокочастотному управляющему транзистору.

Недостатком этого устройства является

5 то, что для защиты низковольтного высокочастотного управляющего транзистора от перенапряжения используется тиристор. Для запирания обычного тиристора с его анода надо снять положительное напряже0 ние или подать на анод отрицательное напряжение. Для запирания полностью управляемого тиристора к его управляющему электроду надо приложить мощный отрицательный импульс. Ничего этого в данном

5 устройстве не происходит. Поэтому тиристор, а соответственно и весь ключ будут находиться в открытом состоянии, через нагрузку потечет постоянный ток, который может привести к перегоранию всех

0 предохранителей или выходу из строя оставшихся высоковольтных транзисторов.

Целью изобретения является повышение быстродействия и надежности при коммутации высоковольтных сигналов.

5 Поставленная цель достигается тем, что в устройство для управления мощным высоковольтным транзисторным ключом, содержащее генератор управляющих импульсов, первый вывод которого предназначен для

0 подключения к первому выходному зажиму ключа, токоограничительный резистор, один вывод которого предназначен для подключения к базе высоковольтного транзистора, мощный высокочастотный

5 управляющий транзистор, эмиттер которого предназначен для подключения ко второму выходному зажиму ключа, коллектор предназначен для подключения к эмиттеру высоковольтного транзисторного ключа, первые

0 выводы параллельно соединенных первого диода и первого резистора предназначены для подключения к базе ключа, а их вторые выводы подключены к первому выводу конденсатора, второй вывод которого предназ5 начен для подключения к второму выходному зажиму ключа, второй вывод генератора управляющих импульсов подключен через второй резистор к базе высокочастотного транзистора, а через второй диод к другому выводу токоограничительного резистора, введены транзистор, стабилитрон, третий и четвертый резисторы, причем эмиттер транзистора подключен к первому выводу конденсатора, коллектор предназначен для подключения ко второму выходному зажиму ключа, база транзистора через третий резистор подключена к катоду стабилитрона, анод которого предназначен для подключения ко второму выходному зажиму ключа, а параллельно переходу база - эмиттер дополнительного транзистора включен четвертый резистор.

На чертеже изображена функциональная электрическая схема устройства.

Устройство для управления мощным высоковольтным транзисторным ключом содержит высоковольтный транзистор 1, коллектор которого через предохранитель 2 соединен с первой выходной клеммой 3, эмиттер с коллектором мощного высокочастотного управляющего транзистора 4, эмиттер которого соединвь си второй выходной клеммой 5. Конденсатор 6 одним выводом подключен ко второй выходной клемме 5, а вторым к эмиттеру транзистора 7, катоду диода 8 и первому выводу резистора 9. Коллектор транзистора 7 и его база через резистор 10 и стабилитрон 11 подключены к второй выходной клемме 5. Параллельно база-эмиттерному переходу транзитора 7 включен резистор 12. Генератор 13 управляющих импульсов первым выводом 14 соединен со второй выходной клеммой 5, вторым выводом 15 через резистор 16 - с базой управляющего транзисто- . ра4, а через диод 17итокоограничительный резистор 18с базой высоковольтного транзистора 1.

Устройство работает следующим образом.

В нормальном режиме работы, т.е. при исправном высоковольтном транзисторе 1, в интервалах проводимости, когда сигнал на выходных выходах 14 и 15 генератора 13 управляющих импульсов имеет полярность, указанную на фиг. 1 без скобок, ток управления, протекая по первой последовательности цепи, вывод 15 - диод 17 - резистор 18 - база-эмиттерный переход высоковольтного транзистора 1 - коллектср-эмиттерный переход управляющего транзистора 4 - вывод 14 генератора 13 и по второй последовательной цепи: выяод 15 - резистор 16 - база-эмиттерный переход управляющего транзистора 4 - вывод 1й генератора 13, поддерживает управляющий транзистор 4 и высоковольтный транзистор 1 в насыщенном состоянии. Ток нагрузки протекает по цепи: первая выходная клемма 3 - высоковольтный транзистор 1 - управляющий транзистор 4 - вторая выходная клемма 5.

При изменении полярности сигнала на выходах 14 и 15 генератора 13 управляющих импульсов (полярность на чертеже указана в скобках) управляющий транзистор 4 закрывается, отключая эмиттер высоковольтного транзистора 1 от выходной клеммы 5.

Вследствие того, что высоковольтный транзистор более инерционный и имеет большее время рассасывания, чем низковольтный

высокочастотный управляющий транзистор 4, он остается в насыщенном состоянии. Ток нагрузки начинает протекать через база- коллекторный переход высоковольтного транзистора 1, диод 8, конденсатор 8 и выходную клемму 5. 8 результате под действием тока нагрузки происходит рассасывание избыточных носителей заряда из коллектор- базового перехода транзистора 1 при отключенном его база-эмиттерном переходе,

т.е. запирание высоковольтного транзистора происходит по схеме с общей базой. По окончании процесса рассасывания высоковольтный транзистор 1 запирается, заряд конденсатора 6 прекращается и его потенциал остается неизменным до конца периода.

С пояснением отпирающего импульса напряжения на зиходных выводах 14 и 15 генератора 13 управляющих импульсов (полярность на фиг.1 указана в скобках) управляющий транзистор 4 и высоковольтный транзистор I отпирается, в результате чего конденсатор 6 разряжается через резистор 9, база-змиттерный переход высоковольтного транзистора 1 и управляющий транзистор А и происходит форсированное включение высоковольтного транзистора за счет энергии, накопленной в конденсаторе 6 на интервале рассасывания носителей заряда.

На интервале проводимости конденсатор 6 разряжается с постоянной времени т

С.

где R - сопротивление резистора 9, С - емкость конденсатора б.

Поэтому интервал проводимости должен быть постоянной длительности, соизмеримой с постоянной времени г

При уменьшении интервала проводимости, например, при ШИМ модуляции конденсатор 8 не будет успевать разряжаться, что приведет к рост/ напряжения на нем в момент рассасывания избыточных носителей ззрядз е коллектор-базовом переходе транзистора 1 пря выключении ключа, Рост напряжения нз конденсаторе нежелателен,

так как ведет к еще более форсированному включению высоковольтного транзистора 1 и увеличению его глубины насыщения, что в свою очередь ведет к увеличению времени рассасывания избыточных носителей заряда в его коллектор-базовом переходе.

Для предотвращения роста напряжения на конденсаторе 6 служит транзистор 7, При превышении напряжением на конденсаторе б порогового значения происходит пробой стабилитрона 11 и по цепи: выходная клемма 3 - предохранитель 2 - переход коллектор - база транзистора 1 - диод 8 - переход база-эмиттер транзистор 7 - резистор 10 - стабилитрон 11 - выходная клемма 5 начинает протекать ток. Транзистор 7 открывается и пропускает ток избыточных носителей заряда. После завершения процесса рассасывания и запирания коллектор-базового перехода транзистора 1, конденсатор б начинает разряжаться через транзистор 7 до порогового напряжения. При достижении напряжением на конденсаторе 6 порогового значения стабилитрон 11 запирается, и транзистор 7 выключается.

При работе на индуктивную нагрузку в момент выключения может произойти отказ высоковольтного транзистора, когда максимальны динамические потери.

При отказе высоковольтного транзистора 1 происходит короткое замыкание его переходов, в результате чего ток начинает протекать по цепи: выходная клемма 3 - предохранитель 2 - короткозамкнутый коллектор-базовый переход транзистора 1 -диод 8 - конденсатор 6 - выходная клемма 5, Конденсатор 6 заряжается током нагрузки, при этом напряжение на переходе коллектор-эмиттер управляющего транзистора 4 превышает напряжение на конденсаторе 6 только на величину напряжения лавинного пробоя база-эмиттерного перехода высоковольтного транзистора 1.

При превышении напряжением на конденсаторе 6 порогового значения происходит пробой стабилитрона 11 и открытие транзистора 7. Ток через предохранитель 2 замыкается по цепи: выходная клемма 3 - предохранитель 2 - короткозамкнутый переход коллектор-база транзистора 1 -диод 8 - транзистор 7 - выходная клемма 5, После перегорания предохранителя 2 заменяется

транзистор 1, работоспособность ключа восстанавливается.

Таким образом, устройство при реализации обеспечивает быстродействие и надежность при коммутации высоковольтных сигналов.

Формула изобретения Устройство для управления мощным высоковольтным транзисторным ключом, содержащее генератор управляющих импульсов, первый вывод которого предназначен для подключения к первому выходному зажиму высоковольтного транзисторного ключа, токоограничительный резистор, один вывод которого предназначен для подключения к базе высоковольтного транзисторного ключа, мощный высокочастотный управляющий транзистор, эмиттер которого предназначен для подключения к второму выходному зажиму высоковольтного транзисторного ключа, коллектор предназначен, для подключения к эмиттеру высоковольтного транзисторного ключа, параллельно

подключенные первый диод и первый резистор, первые выводы которых предназначены для подключения к базе высоковольтного транзисторного ключа, а вторые выводы подключены к первому выводу конденсатора, второй вывод которого предназначен для подключения к второму выходному зажиму высоковольтного транзисторного ключа, при этом второй вывод генератора управляющих импульсов подключей через второй резистор к базе высокочастотного управляющего транзистора, а через второй диод к другому выводу токоог- раничительного резистора, отличающееся тем, что, с целью повышения

быстродействия, введены транзистор, стабилитрон, третий и четвертый резисторы, причем эмиттер транзистора подключен к первому выводу конденсатора, коллектор предназначен для подключения к второму

выходному зажиму высоковольтного транзисторного ключа, база транзистора через третий резистор подключена к катоду стабилитрона, анод которого предназначен для подключения к второму выходному зажиму

высоковольтного транзисторного ключа, а параллельно переходу база-эмиттер транзистора включен четвертый резистор.