Устройство для управления мощным высоковольтным транзисторным ключом Советский патент 1993 года по МПК H02M1/08 

Фиг .

(7), второй ёывод- которого соединён с ано- /зами диодов (8 и 9), базой транзистбра (10)

и5йё;рвйм выводом резистора (11), катодом

диода (9), база соединена с параллельно сбёдййейными диодом (12) и резистором (13) и

первым выводом резистора (14), второй вы- вбд которбго сбёдйнен с катодом диода (15),

анод которого соединён с клеммой (16) ис- ;точййка rjnti я i Первым; выводом рези стора (17), второй BtfloWSfopbro соединён ;С положительнойi рЬ адкой конденсатора

(18), катодом стабилитрона (19) и первым 1 йьГйодом резистора (20), второй вывод кбтр:рогЪ соединён С;эмиттером транзистора (10) ;.и катодом диода (8)..Катод диода (12) йгвтр

роРГШгвод резистора (13) сЬёДйнё;н с поло- ; .житель;ной обкладкой конденсатора (21),

отрицательный вывод которого соединен с нулевой клеммой (22), которая однЪврем;ен- но йвлйется выходомхлюча и. с которой соединены анод стабилитрона (19), эмиттер транзистора (6), второй выводделителя (3) и первый вход (23) генераТбр э импульсов (24), первый выход которого (25) бйёдйнен со вторым выводом резистора (11), второй BHJ ход (2$) - с базой транзистора (6) и эмйттё- рдм транзистора (10), второй вход (27) - с вЫхбдбм делителя (3). Генератора управля- ЙЩйх импульсов (24) соеййнён так ке с П6-; лбмсйТельным (16) и бтрйцатёль ным (28) вьгвййамй ЙсҐочнйка питания, Вывод (29) ге- йёратора управляющих: ймпуль сбв прёдйаз- начён даМ подали й пульсЪв управления на

КЛЮЧ. 5 ИЛ. ;Ч;- й г---: :;:;

Сущность изобретения: устройство содержит высЬковЬльтны0 транзиетор (1), коллектор kOTOpdrp соединен с; первой входной клеммой (2) и первым выводом делителя на-, пряжения (3), образованного резистбраШ (4 и 5), эмиттер соединен с коллектором мощного высб(фчастотHtihji упраёляйщего транзистрра (6), первым выводом резистора ;-- Ш -Гf : w -;::; -

,...: Йзобрете ние Ьт йббитбя к элёктрбтёхни- ,кеi и может бь т /йспрльзрёйнЬ в преобразб- ;ват|йях, регуляторах напряжения (то if а, : лхЛ йчевых:усилителях мощности). -;; V /; : .7; . Известно устрбйство для заЩйть Ьт пё- :; рёгрузЬк :||(ходнбг(, с 1лдвЬгс) TJ3aH3 icf6pa ; 1имг1ульснфго: усй/тйдё я, включенного по ; : с:хемё с общим эмиттер бм, содержащее три :.; .)г

; (вый резйстбр: соединена с базой вы-- ;;; ; х одчйй Г 6 тра а которая соединена : д через второй резистор с первой обкладкой Пёрвогр конденсатора и через третий рези- слгор с .кол лёкт6рЬй; первого; icnbMOratefl b- нргб траНЗйстбраГ эмЙттер кЬтЬрогб ; /соёдй нён со второй обкладкой первого кон- ;; деУсатора и. через четвёртый резистор со -:: ; ffftfpo д н ой кл ем мо й, ба з а п е рвот о ; ;;r:;&fen6iM°pnaferib HOrb транзистора соединена через пятый резистор с коллектором выход- . н 6 о транзйстора и ;чёpeg; шестой ре:зйстрр :. .. р третьей входной клеммш ; : :.. . ... ;; vo., : В данном, устройстве кбнтрбййруется ; изменение тока TpaHsMctdpa вЬ врёйй: На- ,;. ; ;хождёнйяТе актИЁНбм режиме, и защита осу- ществляется : . .№ 1й 5мёнт появлёййя ; в Toke 5 коллектора максимума, вызываёмогр лока- ; лизацйёй тока в крйстйллё, что повышает х надежность защиты выходного силового ; v T pa H3 c.t 6pva. ; ; .;; . : ; . ; . .Одйако недостатком известного устрой- стваi являётсй то, 4fo при поступлений на Btdpyfp ёхбдйую клейму импульса напряжё- нйя транзистор открывается то- крм конденсатбра, который разрйжаясь через третий резистор с постоянной времени RC будет поддерживать выходной тран- зйстдр в проводящем состояний до полного

; разряда конденсатора. в;ь1с рИ)й:питаю-;

щём напряжении; на коллекторе еыхбдного транзистбра и коротком замйканййнагруз . кй Времени разряди конденсатора будет др5 статбчно для того, чтобы ток через транзистор нарбс выше критического и Bbi- хрдной транзистор из режима насЫщёнйя

;; вышёл; в активный , что приведет к резкому возрастанию напряженйя коллёк10 тора выходйогб транзистора, его разогреву и возникновению вторичного пробоя. К тому же включейие выходного транзистора по

схеме с общим эмиттером в момент выклю4- :: чёнИя Транзй стОра при больших значениях 15 тока может привести к возникновению; вторичного пробоя,

Наиболее близким по технической сущности .решением я вляется устройство для управления мощным высоковольтным тран- 0 зйСтЬ рным содер кащёё; мощный высоковольтный транзистор, коллектор ко- : торбго пддкл1очён ко второй выходной клем ме, база ч ёрёз параллельно соединённые диод и резистор к первому выводу конден- 5 сатора, второй вывод которого подключен к первой выходной клемме, эмиттер к кбллек- тору мощного высокочастотного управляю- щегб Транзистора, эмиттер которого подключён к первой выходной клемме клю- 0 ча. Генератор управляющих импульсов пер- бым выводом подключен к первой выходной ; клемме ключаГа второй вывод через резистор соединён с базой управляющего тран- зйстора и через диод и 5 токбограничительный резистор с базой высоковольтного транзистора; Данное устройство обеспечивает уменьшение времени рассасывания с 10 до

1-3 мкс, а следовательно, и уменьшение потерь энергии при выключении, повышенную устойчивость высоковольтного транзистора ко вторичному пробою по напряжению вплоть до Укэо. Форсированное включение высоковольтного транзистора осуществляется с использованием энергии, накопленной в конденсаторе на интервале рассасывания, что обеспечивает уменьшение мощности управления, ч:; Недостатком этого устройства является отсутствие защиты от перегрузки потоку и короткого замыкания в нагрузке, что может привести к превышению тока базы высоковольтного Транзистора в момент выключения допустимого значения и пробою его коллектор-базового перехода.

Таким образом, целью изобретения является обеспечение защиты и повышение надежности.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство управления мощным высоко-, вольтным транзисторным ключом введены транзистор защиты, два дополнительных диода, три дополнительных резистора, делитель напряжения и дополнительный источник питания, так что эмиттер транзистдра предназначен для подключения через первый дополнительный резистор к положительному выводу дополнительного источника питания и катоду первого дополнительного диода, база - к аноду второго дополнительного диода, аноду первого дополнительного диода, через второй дополнительный резистор к коллектору высокочастотного управляющего транзистора и через третий дополнительный резистор к первому выходу генератора управляющих импульсов, коллектор - к базе высокочастотного транзистора и второму выходу генератора уп- равляющих импульсов, второй вход которого подключен к выходу делителя напряжения, катод второго дополнительного диода подключен к коллектору высокочастотного управляющего транзистора.

Предлагаемое устройство отличается от известных входящими в его состав элементами, а также видом связей между ним, , часть существенных признаков предлагаемого устройства является новыми, по сравнению С ripOTofипом и другими известными решениями, таким образом заявляемое решение соответствует критерию изобретения новизна,

Свойством заявляемого решения, не совпадающим со свойствами известных технических решений, является надежная защита выходного силового транзистора, что обеспечивает устройству для управления мощным высоковольтным транзисторным ключом надежную работу.

Учитывая наличие новой совокупности отличительных признаков и нового свойст- 5 ва, можно сделать вывод о том, что заявляемое техническое решение обладает существенными отличиями, по сравнению с известными в наукеи технике,

На фиг, 1 изображена функциональная

0 электрическая схема устройства; на фиг. 2 эпюры Напряжений, поясняющие работу устройства. . :-. .-. , . -.: - .-. Устройство для управления мощным вы- сокрвольтньгм транзисторным ключом (фиг

5 1) содержит высоковольтный транзистор 1, коллектор которого соединен с первой входной клеммой 2 и первым выводом делителя напряжения 3, образованного резисторами 4 и 5, эмиттер соединен с коллектором мощ0 ного высокочастотного управляющего транзистора б, первым выводом резистора 7, второй вывод которого соединён санодами диодов 8 и 9 и базой транзистора 10 и первым выводом резистора 11, катодом диода

5 9, база соединена с параллельно соединенными диодом 12 и резистором 13 и первым выводом резистора 14, второй вывод которого соединен с катодом диода 15, анод которого соединен с клеммой 16 источника

0 питания и первым выводом резистора 17, второй вывод которого соединён с положительной обкладкой конденсатора 18, катодом стабилитрона 19.и первым выводом резистора 20, второй вывод которого соеди5 -нен с эмиттером транзистора 10 и катодом диода 8. Катод диода 12 и второй вывод резистора 13 соединены; : положительной обкладкой конденсатора 21, отрицательный вывод которого соединен с нулевой клем0 мой 22, которая одновременно является выходом ключа и с которой соединены анод стабилитрона 19, эмиттер транзистора 6, второй вывод делителя 3 и первый вход 23 генератора управляющих импульсов 24,

5 первый вход которого 25 соединен со вторым выводом резистора 11, второй выход 26 - С|базой транзистора 6 и эмиттером транзистора 10, второй вход 27 - с выходом делителя 3. Генератор управляющих им0 пульсов 24 соединен также с положительным 16 и отрицательным выводом 28 источника питания. Вывод 29 генератора управляющих импульсов предназначен для подачи импульсов управления на ключ.

5 Устройство работает следующим образом..

В исходном состоянии транзисторы 1, 6 и 10 закрыты, с клеммы 26 генератора импульсов управления (ГИУ) 24 в базу трзнзистора 6 поступает напряжение отрицательной полярности.

При поступлении на клемму 29 ГНУ 12 импульса управления с базы транзистора 6 снШаётся отрицательное напряжение, а на его клемме 25 формируется импульс напря- женИя нулевого уровня, что приводит к протеканию тока базы -транзистора 10, Открытый транзистор 10 пропускает базовый ток транзистора 6, что приводит к его отпиранию. Напряжение на коллектор транзистора 6 падает, что приводит к протеканию тока базы транзистора 1, он открывается и через транзисторы 1 и б проходит ток нагрузки. Когда напряжение кол- лектора транзистора 1 падает- до 1/3 Есил, формирование импульса на клемме 25 ГНУ 12 прекращается. ...,

Задержка по времени между импульсом управления и падением напряжения на кол- лекторе транзистора 1 составляет 1-2 мкс и ;равна.длительности импульса, формируемого на клемме 25 ГИУ 12,:

.Если после окончания формирования импульса на клемме 25 ГИУ 12 ток нагрузки не превышает критического значения, то транзистор 10 остается во включенном состоянии, что. приводит к протеканию базового и коллекторного тока транзистора б и базового и коллекторного тока транзистора 1. Ключ остаётся в открытом состоянии.

При увеличений тока нагрузки выше критического значения коэффициенты насыщения транзисторов 10 и б уменьшаются, что приводит к нестабильности тока транзи- стора 10 и транзисторный аналог тиристор- ной структуры, образованный транзисторами 10 и 6, выключается. Напряжение коллектора транзистора б возрастает до +ЕУп, что в свою очередь через резистор 7 приводит к актив- ному запиранию транзистора 10. С выключением транзистора 6 эмиттер транзистора 1 отключается от выходной клеммы 22, база эмиттерный переход транзистора 1 запирается. Так как высоковольтные составные транзисторы обладают большим временем рассасывания избыточных носителей заряда, то база- коллекторный переход транзистора 1 остается смещенным в прямом направлений и ток нагрузки, протекая по нему, заряжает конденсатор 21 и обеспечивает интенсивное рассасывание избыточных носителей. По окончании процесса рассасывания высоковольтный транзистор 1 запирается, заряд конденсатора 21 пре- кращэется и его потенциал остается на уровне +Еуп. При этом достигается уменьшение времени рассасывания с 10 до 1 ... 3 мкс, а следовательно, и уменьшение потерь энергии при выключении и повышенная устойчивость транзистора 1 к вторичному про-, бою по напряжению вплоть до UKSO.

При уменьшении сопротивления нагрузки вплоть до короткого замыкания увеличивается скорость нарастания тока и ток за короткое время может нарасти выше критического значения. Для того, чтобы защита сработала раньше, введён резистор 11, сопротивление которого выбрано так, чтобы при формировании на клемме 25 ГИУ 24 импульса нулевого уровня напряжение базы транзистора 10 было равно

Пбю икэнасб + UA9 ,

где иКэнасб - напряжение насыщения транзистора 6 при токе срабатывания защиты, Удд прямое падение напряжения на диоде 9. Этим достигается высокое быстродействие срабатывания Защиты, которое составляет0,5 .,. 1 мкс. За это время ток нагрузки не успевает нарасти до порога срабатывания защиты. Выключение ключа при мень- ш ем токе у стра н я ет в оз м ож н ость возникновения вторичного пробоя вьЧсбко- вольтного транзистора 1, что повышает надежность работы устройства.

Таким образом, устройство при простой реализации обеспечивает высокую надежность защиты мощных транзисторов при пе- perpySke по1 току и при коротком замыкании нагрузки.

Формул а изобретения Устройство для управления мощным высоковольтным транзисторным ключом, состоящим из высоковольтного транзистора, содержащее генератор управляющих им- пульсОв, первый вход которого предназначен Для подключения к выходному силовому зажиму, токоограцичительный резистор, один вывод которого предназначен для подключения к базе высоковольтного транзистора, мощный высокочастотный управляющий транзистор, эмиттер которого пйдключен к выходному силовому зажиму, коллектор предназначен для подключения к эмиттеру высоковольтного транзистора, база которого подключена к первым выводам параллельно соединённых диода и резистора, вторые выводы которых подключены к первому выводу конденсатора, второй вывод которого подключен к выходному силовому зажиму, второй вывод токоограничительного резистора подключен к катоду диода,о т л и - чающееся тем, что, с целью обеспечения защиты от перегрузки по току и короткого замыкания в нагрузке и повышения надежности, введены транзистор, два дополнительных диода, три дополнительных резистора, делитель напряжения и дополнительный источник питания, причем

эмиттер указанного транзистора предназначен дли подключения черезпервый Дб- резистор к пояожитёльному выводу дЬпбл нй ёль)6т6 источника пита- Ний,к катоду первого дополнительного диода, база г к анойу второго дополйительнЬго HofllaV аноду первого дополнительного дио- дф, через второй дрполн йтельныи рёзйстор к ; срлле(гору вь окочастЬтйого управляю- ЩёгЬ транэйстЬра и через третий дополниИкШ 1

йШ

6В

i

0

тельный резистор к выходу формирования напряжения нулевого уровня генератора упрйв- ляющйх ймНуль оа, коллектор - к базе высоко- чаетЬтйогб транзистора и выходу формирования напряжения отрицательной полярности генератора управляющих импульсов, второй вход кото- рого подключён к вй:ходу деййтеля напряжения, катод второго дополнйтёльнОг-ЬДйоДа подЮ1К5- чен к tcd/iiiiiektopy вь с1экбчасШгн6гь упр авляю- щёго транзистора.;

t