Транзисторный ключ Советский патент 1982 года по МПК H02M7/537 H03K17/60 

1

Изобретение относится к электротехкике, в частности к силовой преобразовательной технике.

Известен транзисторный ключ, содержащий силовой транзистор, последовательно с которым и источником питания включена нагрузка емкистного характера и обмотка дросселя, причем соединенные последовательно нагрузка и обмотка дросселя шунтированы коммутирующим дно-,Q дом

Недостаток данного устройства - значительные коммутационные потери, возникающие при запирании силового транзистора из-за быстрого нйрастания напряже- ,5 ния на обмотке дросселя.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является транзисторный ключ, содержащий силовой транзистор, включенный последовательно 20 с нагрузкой емкостного характера и источником питания, подключенный управляющим электродом к перво лу выходу блока управления, ком 5утирующую цепь,

состоящую на дополнительного транзистора. соедтгденного первым электродом, общим для его входной и выходной цепей,с таким же первым электродом силового транзистора, а ;-управляющим электродом - со вторым выходом блока упрэвления, а также из дросселя, первичная обмотка которого KotmoM соединена со вторым электродом выходной цепи дополнительного транзистора { 2J .

Недостатки известного устройства заключаются в значительных коммутадионшлх потерях и низкой надежности, что обусловлено быстрым нарасташшм напряжения на дополнительном транзисторе при запираний из-за возникновения ЭДС самоиндукции на обмотке дросселя, включенной последовательно с выходной цепью дополнительного транзистора.

Целью изобретеш1я является уменьщение динамических потерь и повьЕшение надежности путем улучхиолип условий запирания дополнительного транзистора. Поставленная цель достигается тем, что в транзисторный ключ, содержащий силовой Т1: анзистор, включенный последовательно с нагрузкой ёмкостного характера и источником питания, подкшоченный управляющим электродом к первому ВЫХОДУ блока управления, коммутирующую цепь, состоящую из дополнительного транзистора, соединённого первым электродом, ойцим для его входной и выходной цепей, с таким же первым элек тродом силового транзистора, а управляющим электродом - со вторым выходом блока управления, а также из дросселя, первичная обмотка которого кондом со- единена со вторым электродом выходной цепи дополнительного гранзистора, а началом через первый диод - с концом вторичной обмотки дросселя, введены демпфирующий конденсатор, включенный между объединеннь1ми первыми электрода ми силового и дополнительного транзисторов и началом первичной обмотки дросселя, второй диод, включенный между началом первичной обмотки дросселя и вто рым электродом выходной цепи силового транзистора, соединенным с первым выводом нагрузки, причем первый и второй диоды соединены одноименными электродами, третий диод, щунтирующий входную цепь дополнительного транзистора, и чет вертый диод, включенный между первым зажимом источника питания, с которым соединен второй вывод нагрузки, и концо первичной или вторичной обмотки дроссел причем полярность включения четвертого диода - встречная по отнощению к источнику питания, объединенные первые электроды силового и дополнительного транзисторов соединены со вторым зажимом источника питания, а начало вторичной обмотки дросселя связано с управляющим электродом дополнительного тран зистора. Причем связь начала вторичной обмот ки дросселя с управляющим электродом дополнительного транзистора осуществлена через резистивно-диодную цепь, причем указанная цепь и соединенная с ней последовательно входная цепь дополнительного транзистора шунтированы дополнительным конденсатором. На фиг. 1 и 2 представлены принципиальные схемы вариантов выполнения транзисторного ключа., ; Схемы содержат первый и второй зажимы источника питания 1 и 2, силовой транзистор 3; нагрузку 4; блок 5 управления, дополнительный транзистор 6, первичную обмотку 7. дросселя 8, вторичную обмотку 9 дросселя 8, первый диод 1О, демпфирующий конденсатор 11, второй диод 12, третий диод 13, четвертый диод 14. В слеме на фиг. 2 обозначены позициями 15 и 16 резистор и диод резистивно-диодной цепи, а дополнительный конденсатор - позицией 17. В схемах на фиг. 1 и 2 между первым и вторым зажимами 1 и 2 источника питания включены соединенные последова-г : тельно силовой транзистор 3 и нагрузка 4 емкостного характера, причем первый электрод силового транзистора 3, общий для его входной и выходной цепей, соединен со вторым зажимом 2 источника питания, второй электрод выходной цепи силового ключа соединен ,с первым выводом нагрузки 4, а второй вывод ее соединен с nepBbnvi зажимом источники питания. Управляющий электрод силового транзистора 3 соединен с первым выходом блока управления 5. Дополнительный транзистор 6 первым электродом, общим для его выходной и входной цепей, соединен со вторым зажимом 2источника питания. Второй электрод выходной цепи дополнительного транзистора 6 соединен с концом первичной обмотки 7 дросселя 8, имеющего вторичную обмотку 9. Между концом вторичной обмотки 9 и началом первичной обмотки 7 включен первый диод 1О соединенный катодом с началом первичной обмотки 7. Начало первичной обмотки 7, кроме того, через демпфирующий конденсатор 11 соединено с первыми электродами силового и дополнительного транзисторов 3 и 6 и через второй диод 12 - со вторым электродом выходной цепи силового тракзистора 3, причем к началу первичной обмотки 7 дросселя 8 подключен катод второго диода 12. Управляющий электрод дополнительного транзистора 6 соединен со вторым выходом блока управления 5, а управляющая входная цепь дополнительного, транзистора 6 щунтирована третьим диодом 13. В схеме на фиг. 1 между первым зажимом 1 источника питания и концом первичной обмотки 7 включен четвертый диод 14 (катодом соединенный с первьгм зажимом источника питания), а начало вторичной обмотки 9 дросселя 8 непосредственно подключено к управлякяцему электроду дополнительного транзистора 6.

в схеме на фиг. 2 между первым за-, жимом 1 источника питания и концом вторичной обмотки 9 включен четвертый диод 14, соединенный с первым зажимом 1 катодом, а начало этой обмотки связано с управляющим электродом дополнительного транзистора 6 брбз рбзистивно-диодную цепь, образованную соединенными последовательно резистором 15 и диодом 16. Соединенные последователь но резистивно-диодная депь 15-16 и входная цепь дгаюлнительного транзистора 6 шунтированы дополшггельным конденсатором 17.

Принцип действия транзисторного ключа одинаков для схем, представленный на фиг. 1 и 2, и состоит в следующем.

Устройство управления 5 отпирает вначале дополнительный транзистор 6. К моменту отпирания заряжен демпфирующий конденсатор 11. Поэтому, когда при отпирании дополнительного транзистора 6, цотенциал на конце обмотки 7 понижается до нуля, к этой первичной обмотке дросселя 8 прикладывается скачком напряжение. Ток первичной обмотки, являющийся током также и дополнительного транзистора 6, нарастает плавно. Скорост нарастания этого тока ограничена индуктивностью первичной обмотки 7 дросселя 8. Ток обмотки дросселя содержит два слагаемых. Первое является током разряда демпфирующего конденсатора 11 второе - током нагрузки 4 ёмкостного характера. С течением времени ток первичной обмотки дросселя 8 увеличивается а напряжение на силовом транзисторе 3 уменьшается. Когда это уменьшение достигнет некоторого заданного цредела, и разность потенциалов между первым и вторым электродами силового транзистора 3 станет близкой к нулю, блок управления 5 формирует отпирающий сигнал силового транзистора 3 и прекращает формирование отпирающего сигнала дополнительного транзистора 6.

Прекращение отпирающего сигнала на .управляющем электроде дополнительного транзистора 6 вызывает через некоторое время, определяемое инерционностью этого транзистора, уменьшение тока его выходной цепи, т.е. уменьщение тока первичной обмотки 7 дросселя 8. Это, в свою очередь, вызьюает появление ЭДС самоиндукции на обмотках дросселя 8, в результате чего отпирается первый диод lOj и по вторичной обмотке 9 начинает Протекать ток, который возрастает по

мере уменьшения тока через дополнительный транзистор 6. Ток вторичнбй обмотк 9, поступающий во входную цепь дополнительного транзистора 6, создает зяпирающее смещение на управляющем электроде дополнительного транзистора, что способствует ускорению процесса его запирания и снижению коммутационных потерь в нем. Снижению коммутационных потерь способствует также присутствие демпфирующего конденсатора 11, заряжаемого током вторичной обмотки 9. В процессе заряда плавно нарастает напряжение на конденсаторе и на обмотках дросселя, а также на запирающемся дополнительном транзисторе 6.

Заряд демпфирующего конденсатора 11 происходит за счет энергии, накопленной в дросселе 8 за время, пока дополнительный транзистор 6 был в состоянии высокой проводимости. Рост напряжения на демпфирующем конденсаторе 11 и передача энергии из дросселя 8 в этот конденсатор прекращается в момент отпирания четвертого диода 14. С этого момента накопленная в дросселе энергия возвращается в источник питания, что обусловлено протеканием тока через четвертый диод 14 навстречу ЭДС источника питания.

Отпирание силового транзистора 3 происходит при малом значении напряжения между электродами его выходной цепи, т.е. с небольшими потерями. Потери энергии в выходной цепи дополнительного транзистора 6 практически отсутствуют при отпирании, поскольку скорость нарастания тока этого транзистора огратйчивается индуктивностью первичной обмотки 7 и дросселя. 8.

Малость потерь энергии при запирании дополнительного транзистора 6 обусловле на, во-первых, форсированием процесра запирания током вторичной обмотки 9 дросселя 8 и, во-вторых, исскуственным снижением скорости нарастания напряжения на дополнительном транзисторе 6. Этими же факторами обусловлено повышение надежности устройства в сравнении с прототипом.

Схема на фиг. 1 предназначена для использования в случаях, когда характер нагрузки 4 таков,что на силовом транзисторе 3 не может возникать напряжение, превышающее напряжение источника питания (например, при актив. но-емкостном характере нагрузки 4). Вез изменения принципа действия этой 7схе 1Ы первый диод Ю можегт быть вклю чен между началом вторичной обмотки 9 дросселя 8 н управляющим электродом догюлщ1те.т1ьного транзистора 6, а начало первичной обмотки 7 и конец вг ричной обмотки 9 об1зединены. Схема на фиг. 2 предназначена для иснользования в случаях, когда характер нагрузки 4 таков, что на силовом транзисторе 3 может возникать напряжение, превышающее напряжение источника питания (например, еспи нагрузка 4 имеет активно-индуктивный характер и шунтирована конденсатором), В этом случае первый диод Ю выполняет роль блокируюшего. Дополт1ительное повышение надежности обеспечивается в схеме на фиг. 2 за счет применения цепей, содержаш:их элементы 15, 16 и 17. Сущность их действия состоит в том, что за время вывода энергии из дросселя 8 дополнительный конденсатор 17 заряжается, и ток разряда конденсатора обеснечи вает запираюшее смещение на дополнительном транзисторе после вывода энергии из ма нитного реактора. Диод 16 предотвращает шунтирование входной цепи дополни V тельного транзистора соединенными посл довательно резистором 15 и дополнитель НБ1М конденсатором 17 по отношению к сигналу со второго выхода блока утсравления 5. Формула изобретения 1. Транзисторный ключ, содержащий силовой транзистор, включенный последовательно- с нагрузкой емкостного харакгера и источником питания, нодютгоченный унравляющим электродом к первому выходу блока управления, коммутирующую непь, состоящую из дополнительного тран зис1юра, соединенного первым электродом общим для его входной и выходной цепе с таким же нервыл-г электродом силового транзистора, а унравляющим электродом - со вторым выходом блока управле ния, а также из дросселя, первичная обмотка Е/оторого концом соединена со вто рым электродом выходной цепи доролни09 ,8 тельного транзистора, а началом через первый диод - с концом вторичной обмотки дросселя, о т л° и чающийся тем, что, с непью меньшения динамических потерь и по/вышения надежности нутем улучшения условий.запирания доно;шительного транзистора, в него введены демпфируюш;ий конденсатор, включенный между объединенными первыми электродами силового и дополнительного транзисторов и началом первичной обмотки дросселя, второй диод, В1шюченный между началом первичной обмотки дросселя и вторым электродом выходной цепи силового транзистора, соединенным с первым выводом нагрузки, причем первый и второй диоды подключены к началу первичной обмотки одноименными электродами, третий диод, щунтирующий входную цепь дополнительного транзистора, и четвертый диод, включенный между первым зажимом источника питания, с которым соединён второй вывод нагруз1ш, и концом первичной или вторичной обмотки дросселя, причем полярность включения четвертого диода встречная цо отношению к источнику питания, объединенные первые электроды силового и дополнительного транзисторов соединены со вторым зажимом источника питания, а начало вторичной обмотки дросселя связано с управляющим электродом дополнительного транзистора. 2. Устройство по П.1, отличающееся тем, что связь начала вторичной обмотки дросселя с управляющим электродом дополнительного транзистора осуществлена через реаистивно-диодную цепь, причем указанная цепь и соединен-. ная с ней последовательно входная цепь дополнительного транзистора шунтированы дополнительным конденсатооом. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Моин В. С., Лаптев Н. Н. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М., Энергия, 1972, с. 346, рис. 9-18 г. 2.Авторское свидетельство СССР № 729572, кл. Н 05 М 1/56, 1977.

9

г7

Ьк -L

17

К т

-W-f