Мощный транзисторный ключ Советский патент 1993 года по МПК H03K17/08 H03K17/60 

. I

Изобретение относится к полупроводниковым управляемым коммутаторам больших мощностей и может быть использовано в приборостроении, электротехнической промышленности, а также в источниках вторичного электропитания, имеющих в своей основе инвертор или конвертор.

Целью изобретения является уменьшение коммутационных перегрузок ключевого транзистора и более полное его использование по току.

На фиг.1 приведены временные диаграммы напряжений и тока прототипа (Ue - напряжение на базе коммутирующего транзистора, UK - напряжение на коллекторе коммутирующего транзистора, IK - ток коллектора); на фиг,2 - принципиальная электрическая схема предлагаемого мощного транзисторного ключа; на фиг.З - временные диаграммы напряжений и тока предлагаемого ключа (Dei - напряжение на базе коммутирующего транзистора, 1)б8 - напряжение на базе разрядного транзистора, 1к8 - ток коллектора разрядного транзистора, UK1 - напряжение на коллекторе коммутирующего т.р а н з и с т о р а , I K1 - ток к о л - лектора коммутирующего транзистора),

Мощный транзисторный ключ состоит из коммутирующего транзистора 1, индуктивности 2, подключенной одним выводом к коллектору коммутирующего транзистора 1 и зашунтированной демпфирующей цепочкой, состоящей из последовательно включенных резистора 3 и диода 4, цепочки последовательно включенных конденсатора 5 и диода 6, причем конденсатор вторым выводом подключен к эмиттеру коммутирующего транзистора, а диод 6 - к его коллектору, разрядного резистора 7, одним выводом подключенного к точке соединения конденсатора 5 и диода 6, транзистора 8, коллектор которого подключен к второму выводу разрядного резистора 7, а эмиттер - к эмиттеру коммутирующего транзистора 1, Эмиттерный вывод коммутирующего транзистора 1 является одним из силовых выводов ключа, а вывод индуктивности 2, неподключенный к коллектору коммутирующего транзистора 1, - другим. Диод 4 включен в закрытом состоянии по отношению к напряжению силовой цепи, а диод 6 - в прямом. Силовая цепь и цепи управления транзисторов 1, 8 имеют гальванические развязки, например, с помощью трансформаторов (на фиг. 2 цепи управления не показаны).

Ключ работает следующим образом.

С приходом фронта открывающего импульса U61 на базу коммутирующего транзистора 1 напряжение на коллекторе транзистора 1 начинает снижаться и через время tewi включения транзистора достигает примерно напряжения насыщения. В это же

5 время, но с меньшей скоростью, начинает нарастать ток коллектора. Скорость нарастания тока обусловлена величиной индуктивности 2 и величиной нагрузки. Величина индуктивности выбирается такой, чтобы во

0 всем диапазоне величин нагрузок сочетание величины тока коллектора и величины напряжения на коллекторе за время т.Вкл. включения транзистора не выходило за рамки области безопасной работы коммутирую5 щего транзистора 1.С задержкой, равной времени включения транзистора 1 (паспортная величина), формируется открывающий импульс 11б8 транзистора 8 длительностью не менее 3 т}где т - постоянная времени

0 конденсатора 5 и разрядного резистора 7. С приходом открывающего импульса Об8 на базу транзистора 8 конденсатор 5, заряженный до величины напряжения силовой цепи в период закрывания коммутирующего

5 транзистора и остающийся заряженным и после его открывания благодаря отсечке диодом 6, начинает разряжаться через разрядный резистор 7 и транзистор 8 и к концу открывающего импульса 1)б8 разряжается

0 до напряжения на коллекторе открытого коммутирующего транзистора 1. Необходимым условием является условие разряда конденсатора до начала закрывания коммутирующего транзистора, поэтому длитель5 ность импульса, открывающего транзистор 8, должна быть меньше минимальной длительности токового импульса коммутирующего транзистора 1.

По окончании открывающего импульса

0 11б1 коммутирующего транзистора 1 он остается еще открытым в течение времени tpaccac. рассасывания, затем начинается его закрывание. Во время закрывания для тока силовой цепи появляется путь, параллель5 ный коммутирующему транзистору 1,через диод 6 и конденсатор 5, благодаря чему скорость нарастания напряжения на коллекторе коммутирующего транзистора отстает от скорости спадания тока в коллекторной це0 пи, чем также достигается такое сочетание тока коллектора и напряжения на нем, которое не выходит из области безопасной работы, только теперь при закрытии коммутирующего транзистора 1.Ток, проте5 кающий по цепи: диод б - конденсатор 5, во время закрытия коммутирующего транзистора 1 заряжает конденсатор 5. Уменьшение тока в коллекторной цепи коммутирующего транзистора 1 и последовательно включенной цепи коммутирующего транзистора 1 и

последовательно включенной с ней индуктивности 2 приводит к возникновению на ее

выводах ЭДС ( е - L-gy )c полярностью,

включенной согласно с напряжением силовой цепи. Чтобы снизить перенапряжение в цепи за счет возникшей ЭДС, необходимо снизить скорость изменения тока в индуктивности, т.е. искусственно увеличить постоянную времени () что

достигается шунтированием индуктивности резистором сравнительно небольшой величины. В рассматриваемом ключе эту функцию выполняет резистор 3. Ток, обусловленный ЭДС индуктивности, замыкается через резистор 3 благодаря диоду 4, включенному по отношению к ЭДС в прямом направлении. Другими словами, на резисторе 3 рассеивается энергия

Li2 ( W -к- ), запасенная в магнитном поле

индуктивности.

По окончании переходного процесса (разряда индуктивности), напряжение на коллекторе коммутирующего транзистора 1 устанавливается равным напряжению в силовой цепи. С приходом следующего открывающего импульса процесс повторяется.

На практике в качестве коммутирующего транзистора в ключе был использован силовой транзисторный модуль МТКД-40-5- 2 (ТУ 16-87 ИЖУК.437123.001 ТУ), предназначенный для применения в ключевых силовых схемах преобразователей. Модуль имеет максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-эмиттер при разомкнутой цепи базы 500 В, максимально допустимый постоянный ток коллектора 40 А, постоянную рассеиваемую мощность 100 Вт. Сравнивая величины предельной теоретически возможной коммутируемой (500В х 40 А) и постоянной рассеиваемой мощности модуля, видим, как легко можно выйти из области безопасной работы в моменты коммутации. Поэтому, чтобы повысить надежность работы ключа при коммутирующих мощностях в несколько киловатт и выше, оправданы некоторые усложнения. В качестве разрядного транзистора был использован транзистор КТ834А с допустимым напряжением коллектор-эмиттер 400В, током 15А и постоянной мощностью рассеивания 100Вт. Благодаря большему, примерно на порядок по сравнению с модулем, быстродействию и тому, что мощность, рассеиваемая в разрядной цепи, меньше постоянной допустимой мощности рассеивания транзистора, перегрузок во время

формирования фронта импульса разрядного тока при правильно выбранном разрядном транзисторе не возникает. Разрядный резистор - безиндукционный, типа ТВО,

чтобы во время разряда не возникали колебательные процессы, с постоянной мощностью рассеивания 20...50Вт. Максимальная величина тока в разрядной цепи не должна превышать максимально допустимого по0 стоянного тока разрядного транзистора. С другой стороны, постоянная времени разрядной цепи должна быть такой, чтобы конденсатор успел полностью разрядиться за время, равное минимальной длительности

5 токового импульса коммутирующего транзистора. Исходя из этих соображений, выбирают разрядный транзистор и резистор. Формирователи управляющих импульсов гальванически развязаны с силовыми цепя0 ми при помощи трансформаторов, намотанных на кольцевых ферритовых сердечниках. Задержка и формирование открывающего импульса разрядного транзистора осуществлялись одновибратором при коммутации

5 мощности в несколько киловатт.

Положительный эффект от использования изобретения заключается в повышении надежности работы устройств преобразовательной техники, особенно в тех случаях,

0 если нагрузка носит активно-индуктивный характер, за счет уменьшения коммутационных перегрузок в момент включения, а более полное использование транзистора по току (20...30%) позволяет улучшить массове5 совые характеристики. Кроме того, это ведет к снижению выделения мощности в коммутирующем транзисторе, что позволяет работать на более высоких частотах пре- образования. Повышение частоты

0 преобразования, в свою очередь, способствует улучшению массовесовых характеристик.

Изобретение предполагается использовать в высоковольтном твердотельном источ5 нике разрабатываемой электронно-лучевой аппаратуры с мощностью в луче 5 кВт. Ориентировочный срок начала серийного выпуска 1992-1993г.

Формула изобретения

0 Мощный транзисторный ключ, содержащий коммутирующий транзистор, индуктивность, зашунтированную демпфирующей цепочкой, состоящей из последовательно включенных диода и резистора, индуктивность

5 включена последовательно с коллекторно- эмиттерным переходом коммутирующего транзистора, конденсатор, первый вывод которого подключен к эмиттеру коммутирующего транзистора, а второй вывод через диод, включенный в прямом направлении по отношению к коллекторному напряжению коммутирующего транзистора, подключен к коллектору коммутирующего транзистора, отличающийся тем, что, с целью уменьшения

лее полного его использования по току, введен дополнительный транзистор, коллектор которого через разрядный резистор подключен к точке соединения конденсатора с

коммутационных перегрузок коммутирую- 5 диодом, а его эмиттер соединен с эмитте- щего транзистора во время включения и бо- ром коммутирующего транзистора.

лее полного его использования по току, введен дополнительный транзистор, коллектор которого через разрядный резистор подключен к точке соединения конденсатора с

Изобретение относится к полупроводниковым управляющим коммутаторам больших мощностей и может быть использовано в приборостроении, электротехнической промышленности, а также в источниках вторичного электропитания, имеющих в своей основе инвертор или конвертор. Сущность изобретения - устройство содержит транзисторы 1,8, диоды 4,6, резисторы 3,7, индуктивность 2, конденсатор 5. 3 ил.

.tpaccac.