Устройство для управления силовым транзистором

 

Изобретение Относится к импульсной технике н может быть использовано при разработке вторичны источников питаний переключаемого типа. Целью изобретения является повышение надежности при расширении диапазона рабочих импульсов по длительности. При отпирании ключа 8 конденсатор 6 разряжается на обмотку 2з трансформатора , что приводит к отпиранию транзистора 1. Транзистор I поддерживается в открытом состоянии за счет протекания тока через обмотку 2. После запирания транзистора I энергия размагничивания трансформатора заряжает конденсаторы б и 9 через диоды 7 н 11. Транзистор 5 при этом шунтирует управляющий переход транзистора 1. 3 з. п. ф-лы, 3 ил.

СООЗ COBETCHHX

СО!.!ИАЛИСТИЧЕСНИХ каъь лик (!9! (11) (51)5 Н 02 М I 08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЭОБРЕТЕКИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ П4НТ СССР (21) 4665731/07 (22) 23.03.89 (46) 23.01.92. Бюл. № 3 (7!) Опытное производственно-техническое предприятие 4Уралчерметавтоматика» (72) О. Н. Мельников и Л. В. Дудина (53) 621.316.727 (088.8) (56) Заявка Франции ¹ 2558022, кл. Н 02 М 7/53" !983.

Авторское свидетельство СССР № 1480048, кл. Н 02 М 1/08, 1989. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ

СИЛОВЪ|М ТРАНЗИСТОРОМ (57) Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано при раэработке вторичных йсточников питанн!! переключаемого типа. Целью изобретения является повышение надежности прн расширении диапазона рабочих импульсов по длительности. При отпирании ключа 8 конденсатор 6 разряжается на обмотку 2з трансформатора, что приводит к отпиранию тран ° эистора 1. Транзистор 1 поддерживается в открытом состоянии за счет протекания тока через обмотку 2 . После эапирания транзистора I энергия размагничивания трансформатора заряжает конденсаторы б и 9 через диоды 7 и 11. Транзистор 5 при этом шунтнрует управляющий переход транзистора !. 3 з. и. ф-лы, 3 нл.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано при разработке вторичных источников питания (ВИП) переключательного типа.

Известно устройство для yh pa влен и я силовым транзистором в статическом преобразователе, которое функционирует с минимальным потреблением энергии.

Однако в силу принципиальных особенностей схенного решения применение этого устройства ограничено двухтактными преобразователями, в которых два силовых ключа управляются от общего трансформатора, причем коммутация ключей осуществляется закорачиванием двух обмоток этого трансформатора. Другой недостаток известного устройства связан с необходимостью для начального запуска формировать специальный запускающий импульс с помощью внешнего источника энергии (блок $1). Кроме того, нз-за недостаточной надежности переключения при значении скважностн Я много более 4, воэможности регулирования (по диапазону нагрузок н входных напряжений), существенно ограничены.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемону результату к предлагаемому является устройство для управления силовым транзистором импульсного преобразователя напряжения, содержащее трансформатор тока, имеющий дополнительную обмотку, накопительный конденсатор с узлом подзаряда от источника постоянного напряжения, подключенный через выпрямнтельный диод к первому выводу вторичной обмотки трансформатора тока, управляющий ключ, в цепь которого последовательно включена допдлнительная обмотка этого тра нсфорнатора, блокирующий тра нзистор и вольтоограннчительный элемент.

Накопительный конденсатор зашунтирован последовательной цепочкой из дополнительной обмотки трансформатора тока и управляющего ключа. Через эту же цепочку первый вывод вольтоограничительного элемента соединен с вторым выводом вторичной обмотки трансформатора тока, его второй вывод соединен. с базой блокирующего транзистора. Второй вывод вторичной обмоткн трансформатора тока, второй вывод накопительного конденсатора н коллектор блокирующего транзистора соединены с базой силового транзистора. Эмиттер блокирующего транзистора соединен с эмиттером с нлового транзистора, а их общая точка соединена с первым выводом вторичной обмотки.

Это устройство обеспечивает достаточно высокую надежность в релейных режимах регулирования, т. е. при постоянной илн близкой к постоянной длительности рабочего импульса. Однако в преобразователях с

ШИМ-структурой регулирования, т. е. прп переменной длительности рабочего инпульа, это устройство управления может привести к ложным срабатываниям силового транзистора. Действительно, при уменьшении длительности рабочего импульса !„> ровень напряжения накопительного конденсатора может оказаться ниже порогового напряжения . вольтоограяичительного элемента, в результате чего база-коллекторный переход блокирующего транзистора осганется закрытын. В результате отсутствия

1О блокировки появляется возможность повторного (ложного) срабатывания силового ключа, например из-за коммутационных помех после закрывания силового транзистора.

° 16

Цель изобретения — повышение надежности управления при расширении диапазона рабочих импульсов по длнтельнос1и— достигается тен, что в устройство управле- нияя силовым транзистором, содержа щее трансформатор тока, первичная обмотка

20 которого предназначена для последовательного включения в силовую цепь силового транзистора, для подключения к базе которого предназначены первые выводы вторичной н дополнительной обмоток трансформа я тора тока, второй вывод дополнительной обмотки трансформатора тока соединен с первым выводом управляющего ключа, второй вывод которого соединен с первым выводом первого узла подзаряда, второй вывод которого соединен с первым выводом второго

ЭО узла подзаряда, второй вывод которого предназначен для подключения к первому выводу источника напряжения, для подключения к второму выводу которого предназначен первый вывод накопительного конденсатора, второй вывод которого соединен с первым

Э выводом первого выпрямительного диода, второй вывод которого соединен с вторим выводом вторичной обмотки трансформатора тока, первый вывод которой соединен с первым выводом накопительного конлен40 с втор а н коллектором блокирующего тра нзистора, введены токоограничнтельный элемент; блокирующий конденсатор, второй выпрямнтельный диод, запирающий диод и компенсирующий диод, второй вывод которого предназначен для подключения к эмит46 теру силового транзистора, а первый вывод соединен с вторыми выводани первого н второго выпрямнтельных диодов и первым Bhlводом запирающего диода, второй вывод . koTopolo соединен с эмиттером блокирующего транзистора, база которого соединена с первым выводом токоограничнтельного элемента, второй вывод которого соединен с первым выводом второго выпрячительпюго диода и первым выводом блокирующего конденсатора. второй вывод которого соедн55 нен с первым выводом первого узла подзаряда.

В качестве токоограннчительного элемента может быть использован резистор.

Для обеспечения независимости параметров схемы от входного напряжения силового тра >истора токоограничитсльиый элечеllT

I>I4IIo1пястся иа генераторе ток;> с >алакнпич ре >истором.

В варианте выполнения т окг>ограничительного элемента иа генераторе гока в него может быть введен лиод отсечки, первый вывод которого соединен с первым выводом второго выпрямительного лиода, а втор<>Й выпол — с коллектором блокирх ю<цего транзистора.

На фиг. I привелена электрическая схема устройства управления в варианте выполнения токоограничительиого элемента на резисторе; на фиг. 2 — то же, на генераторе тока; на фиг. 3 — временные диаграммы. поясняющие работу устройства, гле обозначения в скобках даны лля схемы по фиг. 2.

Устройство у пра влен и я транзисторным клк>чом I (фиг. I ) содержит трансформатор 2 тока, первичная обмотка 2.1 которого включена в силовую цепь ключа I, а вторичная обмотка 2.2 одним выводом подключена через компенсирующий лиод 3 к эмиттеру силового ключа I. а через запирающий диод 4 — к эмиттеру блокирую<цего транзистора 5 устройства. Первый вывод обмотки 2.2 соединен с базой транзистора I. Накопительный конденсатор 6 первым выводом соединен через выпрямительиый диод 7 с вторым выволоч обмотки 2.2, а вторым — с базой транзистора l. Вторичная обмотка 2.2 и выпрямительный диод 7 образуют первый узел полэаряда. Конденсатор 6 зашунтирован цепью из последовательно соединенных управляющего ключа 8 с дополнительной обмоткой 2.3 (в привслениоч варианте реализации обчотка 2.3 показана со стороны связи конденсатора 6 с базой силового транзистора 1). < «торыч выволоч накопительного кон l<.I .<.àòîi>à 6 связан блокирующий конленсатор 9, другой вывод которого через токоограиичнтельиь<й резистор 10 соединен с базой бл жирую;пего транзистора 5 и через выпрямительный диод 11 с вторыч выводом обмотки 2.2 Коллектор блокирующего транзистора 5 и >лключен к базс силового транзистора 1 Узел 2 подзаряла предназначен для поди:<тки на копител ьпоойстпа

В схеме, показанной на фиг 2, ток<и>грани чительный элечент 10 вы>н>лпс и иа генераторе тока (с реализацией на транзисторе с диодом подпора н базовой Ilollll) и залающеч резисторе

Пунктироч иа обеих схсча х показаны элементы форсирования IIK IK> I< I! II>I — конденсатор 13 (Ill»lx>lpx k>IIIIIil <ц III. «элемент !

Π— конденсатор 9») и р< осl<>p 14 1><клк>чениый в цепь ) Ilpàl< I>Ill< I<> h.л-к>ча 8 со стороны в ы и р я ч 1< т с. l l, и 1,< х .1< и > 1 > и)

Устройство уп р;<иле пни с р< i>ли ll<>iи<и> с<>лср к".ò<, диод 15 отсечки, иклк> « IIIII>ll< х< к.<у их<>л ным выв<>д<:м р< Ill< тор;> г<».<><><р,Ill

2Г

50 .>5>

II<>co э. ц ч< ита 10 и базой сl<1<>I>nK< Ilcllh полнитки. об>ра>«I<;II< иу>о рез><сторачи 6. 17, < «>I I;Ill<1>viпри жс 1<ни (!,„свобод. иые выводы которых п<>лс<клииеиы в б>локс 10 к вхолиочу выводу залакицсго резистора и к оба! и точке лиола поли<>ра с трлнзистором (показано пунктиром).

Узел 12 подзаряла предназначен лля подпитки накопительного конлсисатора 6 и нужен в основном для первого пуска клю. ча 8 после включения устройства. В привеленной на схеме реализации он солержит конденсатор в последовательном соединении с резистором и лиол, подключающий их общую точку к второму выволу конденсатора 6.

В простейшем случае он может быть реализован только на резисторе

В качестве управляющего ключа 8 может быть использован триггерный ключ на комплементарных транзисторах, управляемый оптроном, либо блокинг-генератор с оптронным или трансформаторным запуском.

Емкость конденсатора 9 выбирается в несколько раз меньше ечкости конденсатора 6 (например, на порядок).

Устройство работает следующим об-разом

Запуск транзистора I осуществ lHcT< я кратковременным замыканием управляющего ключа 8. При этом конденсатор 6 разряжается (эпюра U» на фиг. 3) через дополнительную обмотку 2.3 до величины U, (U, — сумма падений напряжений íà of>мотке 2.3 и нв открытом ключе 8). Импульс тока поступает в эмиттеричю цепь силового транзистора 1 (эпюра I) с одновременным снятием блокировки. Блокирующий транзистор 5 заперт при отсутствии базового тока (эпюра IV).

При 1<аличии форсирчющих элементов 13 и 14 задается длительность запускающего импульса (т= R14С6) и обеспечивается форсированное эапираиие транзистора 5 при запуске силового ключа. Далее открытое с<>стояние ключа 1 поддерживается за счет положительной токовой обратной связи (of>м<>тка 2.1). Длительиосп включенного состояния 1„силового ключа l ограничивается в силовой цепи известиычи методами.

После выключения (фиг. 3.1, момент (I) силового транзистора I в p< «ультате спада тока в его силовой пепи llaII«. на обмотке 2.2. меняет знак, открывая выпрячительные диоды 7 и I I. и 11< pl>

После заряла конденсатора 9 ло напряжения открытого база-коллект<>1>и<>го перехода транзистора 5 (по фиг 2 ло II;Ill,>я кения лиух переходов: база-эчит>ерпыи транзистора и диолный элемента 1111 открывается транзистор 5. Ток через z>«>1 11 раэветвлиется: частью замыкается чсpe< токоограничительный элечсlрой конец

1707706 обмотки 2.2, а частью продолжает идти нв заряд конденсатора 9.

Иивер< ночу включению транзистора 5 (иосле появления тока в его базе) препятст. вует диод 4. Это приводит к тому, что ток размагничивания трансформатора 2 не шунтируется эмиттер-коллекторным переходом транзистора 5, а протекает до полного спадания в ноль, заряжая конденсаторы 6 и 9 через диоды 7 и 11 Таким образом, энергия размагничивания используется полностью для последующего запуска силового транзистора I.

В паузах между срабатываниями силового транзистора происходит разряд конденсатора 9 током базы транзистора 5 (на фиг. 2 эмиттерным током транзистора элемента 10, т, е также током базы транзистора 5). Это обеспечивает блокирование база-эмиттерного перехода силового транзистора 1 открытым эмиттер-коллекторным переходом транзистора 5.

Наличие блокирующего конденсатора 9 (в последовательном включении с конденсатором 6) позволяет разделйть процессы накопления энергии (в конденсаторе 6) для последующего запуска силового транзистора 1 и получения энергии (от конденсатора 9) для создания и поддержания его блокировки. Это предотвращает ложные срабатывания силового транзистора I от импульсных помех при перекоммутациях тока в силовых цепях преобразователя.

В варианте выполнения токоограничительного элемента 10 по фиг. 2 схема приоб° ретает дополнительные преимущества: она менее критична к выбору параметров и режимов работы..

Для надежной работы блокирующего транзистора 5 (фиг. 1) (блокирования силового транзистора 1 во время паузы и заиирания на время рабочего импульса 1„) перепад напряжения на базе транзистора 5 (ЛУ, ) должен превышать напряжение базаэмиттерного перехода силового транзистора (U„). U>, в зависимости от тока нагрузки (тока силового транзистора 1) равно 1 —:3 В.

Выражение для перепада напряжения ив базе транзистора 5 (фнг. 1) имеет вид

AU,s=Ueе +a+!„(I — e> } — U „ где Ц, — падение напряжения на днодиом переходе; — длительность паузы; т — постоянная времени разряда конденсатора 9, равная — R I ОС9; а ф„— на п ря жение на ие рвом вы воде накопительного конденсатора 6 (после окончания заряда током размагничивания).

По аналогии для варианта по фиг. 2 выражение для перехода напряжения на эмиттере транзистора элемента 10 запишется, как

Л(/, =-20„е -f-ài//.(1 — е Ф } — U -, 45

Формула изобретения

1. Устройство для управления силовым транзистором, содержащее трансформатор гока, первичная обмотка которого предназначена для последовательного включения в силовую цепь силового транзистора, для подключения к базе которого предназначены первые выводы дополнительной и вторичной обмоток трансформатора тока, второй вывод дополнительной обмотки трансформатора

ТоКВ соединен с первым выно \0M управляющего ключа, второй вывод которого соединен с первым выводом первого узла иодзаряла, второй вывод которого соединен с иервыч выводом второго узла подзаряда, второй вывод которого иредназиа и н для подков и50

Для надеж ной работы блокирующего транзистора (надеж ного запирания транзистора элемента !0 an время рабочего импульса и отпирания его во время паузы)

5 достаточно выполнения условия: hU )0,6 В.

При наличии элемента 16, U. подпитки (стабилизирующих напряжение базы транзистора элемента 10) достаточно величины

AU =0,З В.

Очевидно, что это условие может быть обеспечено для всех режимов работы и параметров элементов устройства.

В рассматриваемой схеме отрицательный потенциал, форсированно запирающий транзистор элемента 10 н блокирующий транзистор 5, может быть зафиксирован диодом 15 отсечки на уровне минус одного днодного перехода, и тогда изменяется толькЬ эа счет тока подпитки прн наличии цепи резистор 17 — U ; обеспечивающей дополни20 тельную защмту от внешних помех между срабатываниями силового транзистора . I.

Ток подпитки задается достаточно малым -— из условия. что потенциал в точке соединения блокирующего конденсатора 9 н задающего резистора элемента 10 за время самого длительного импульса 1, не должен превышать потенциал открывания база-эмиттерного перехода транзистора и диода токоограничнтельного элемента 10, т. е. потенциала плюс двух диодных переходов.

ЭО Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает надежное управление не только при использовании в схемах с релейным регулированием, но и в схемах с переменной длительностью рабочего импульса (например, в преобразователях с широтно-импульс35 ным регулированием) при сохранении всех других преимуществ по диапазону входных напряжения и нагрузок, массогабарнтных показателей. Кроме того, имеется возможность получения «гибкой» (по отношению

4р к параметрам) структуры — не гребует особого подбора ни элементов, ни режимов при построении самого устройства управления и нет зависимости их от входного напряжения силового транзистора.

I 707706

10 иия к первому выводу источника напряжения, для подключения к второму выводу которого предназначен первый вывод накопительного конденсатора, второй вывод которого соединен с первым выводом первого выпрямнтельного диода, второй вывод которого соединен с вторым выводом вторичной обмотки трансформатора тока, первый вывод которой соединен с первым выводом накопительного конденсатора н коллектором блокирующего 10 транзистора, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности прн расширении диапазона рабочих импульсов по длительности, введены токоограничительный элемент, блокирующий конденсатор, второй выпрямительный диод, запирающий диод и компенсирующий диод, первый вывод которого предназначен для подключения к эмиттеру силового транзистора, а второй вывод соединен с вторым выводом первого H первым выводом второго выпрямительных дио- 20 дов и первым выводом запирающего диода,, второй вывод которого соединен с эмнттером блокирующего транзистора, база которого соединена с первым выводом токоограннчительного элемента, второй вывод которого соединен с вторым выводом второго выпрямительного диода и первым выводом блокирующего конденсатора, второй вывод которого соединен с первым выводом первого узла подзаряда.

2. Устройство по и. I, отличающееся тем, что токоограничительный элемент выполнен и виде резистора.

3. Устройство по п. I, отличающееся тем. что токоограинчительный элемент вйпблнИГ в виде стабилизатора тока.

4. УстройсТво по и. 3. отличающееся тем, что в него введен диод отсечки, включенный между вторым выводом второго выпрямительного диода и коллектором блокирующего транзистора.

1707704

Up

Og (g

Ол(г (7

Фаг3

Составитель Э. Кравченко

Редактор В. Липко Тетрел А. Кравчук Корректор М. Самборская

Лак аэ 2 72 Тираж Под п и с ное

ВНИИГ1И Госуларственногп комитета по иэобретениям н открытиям прн ГКНТ СССР ! I 3035, Москва. Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 45

Производственно-издательский комбинат кПатент ° ° г. Ужгород, ул. Гагарина, IOI