Устройство для управления силовым ключом

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (s1)s Н 02 М 1/08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4897383/07 (22) 27.12,90 (46) 07.10.92, Бюл. Ъ 37 (71) В сесо юзн ый научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт силовых полупроводниковых устройств (72) А,В,Волков, А,А,Крисан, E.Â,Íîñoâ и

В.П,Танаевский (56) Авторское свидетельство СССР

N. 652663, кл. Н 02 M 1/08, 1989г.

Авторское свидетельство СССР по заявке .

К 4709531, кл, Н 02 М 1/08, 1989г. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СИЛОВВ 6!М КЛЮЧОМ (57) Сущность изобретения: при наличии сигнала на выходе источника управляющего сигнала 13, узел гальванической развязки

11 обеспечивает отпирание управляемого ключа 12 и через транзистор 9 начинает протекать ток, отпирающий силовой ключ 8 и ограничиваемый с помощью стабилитрана

15. При запирании управляемого ключа происходит запирание транзистора, и через резистор 4 протекает ток, запирающий силовой ключ. При пробое силового ключа и появлении на входе стабилитрона высокого потенциала стабилитрон шунтирует эмиттерный переход транзистора, а диод 14 и репятствует протеканию тока через коллекторный переход транзистора, что обеспечивает его защиту. 1 ил.

1767643

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления силовыми тиристорами и транзисторами управляемых выпрямителей, автономных инверторов и других преобразовательных устройств.

Известно устройство для управления силовым тиристором, содержащее генератор прямоугольных колебаний, состоящий из источника питания со средней точкой и двух ключей, выходной трансформатор, первичная обмотка которогр подключена к генератору через управляемый ключ, à вторичная обмотка со средней точкой подключена к управляющей цепи тиристорами через выпрямитель, причем средняя точка этой обмотки соединена с катодом тиристора и конденсатором, вторая обкладка кото рого через резистор подключена к управляющему электроду тиристора, который через стабилитрон и резистор присоединенн к- плюсу вы и рямителя, резистор и диод, а первичная обмотка трансформатора выполнена со средней точкой, причем, резистор включен между общей тачкой саединенйя первого резистора и конденсатора и минусом выпрямителя, а между общей точкой саединенйя" управляемого ключа со средней тоЧкой первичной обмотки трансформатора и средней точкой источника питания генератора прямоугольных колебаний включен диод.

Известному устройству присущи невысокое значение коэффициента полезного действия, увеличенные масса и габариты, низкая крутизна среднего фронта импульса управления. Невысокое значение коэффициента полезного действия обусловлено наличием в устройстве значительных электрических потерь мощности и энергии, рассеиваемой в виде тепловой энергии на .стабилитроне (при протекании тока управления через стабилитрон). Потери энергии увеличиваются пропорциональна продол жительности времени наличия управляющего импульса и составляют значительную величину для устройства управления тиристорами или транзисторами автономных инверторов, требующих, как правило, длительных импульсов управле.:... ния. Увеличенные масса и габариты известкого устройства определяются наличием в . ..нем большого металлического .охладителя (на котором устанавливается упомянутый стабилитрон), предназначенного для теплоотвода энергии, выделяемой в стабилитроне.

Низкая крутизна переднего фронта импульса управления обусловлена влиянием провалов выпрямленного напряжения на

10 провала выпрямленного напряжения необ15 ходимо сформировать передний фронт выходного импульса управления, то в

55 выходе мостового выпрямителя на крутизну переднего фронта формируемого импульса.

Провалы выпрямленного напряжения объясняютсяя неидеал ьностью (отличием от п рямоугольности) фронтов выходного сигнала генератора прямоугольных колебаний из-за наличия реального времени включения ключей генератора и фактической неидеальностью (наличие времени переключения) диодов выпрямителя. Это приводит к узким провалам (до нуля) выпрямленного напряжения на выходе положительной клеммы выпрямителя, если в момент указанного известном устройстве наблюдается аналогичный узкий провал (задержка, снижение крутизны) выходного импульса. Задержка при включении и снижение крутизны переднего фронта импульса приводит к асимметрии нгпряжекий и токов в многофазных схемах преобразовательных устройств, а также при больших скоростях нарастания анодных токов силовых тиристаров к выходу из строя силовых полупроводниковых приборов из-за локального перегрева структур переходов при их медленном включении. В известном устройстве выходной сигнал управления тиристором имеет принципиально регулярные повторяющиеся провалы до нулевого уровня, так как включение дополнительного емкостного фильтра для устранения этих провалов исключается изза недопустимого увеличения переднего и .заднега фронтов импульсов управления.

Известно также устройство для управления силовым ключом, содержащее транзистор и источник переменного напряжения прямоугольной формы, выход которого .связан с первичной обмоткой трансформатора, средний вывод вторичной обмотки которого использован в качестве первого выходного вывода устройства и соединен с первым выводом первого конденсатора, второй вывод которого соединен с первым выводом первого резистора, второй вывод которого использован в качестве второго выходного вывода устройства, и связан с первым выходом мостового выпрямителя, входы которого соединены с крайними точками вторичной обмотки трансформатора, второй резистор, первый вывод которого соединен со вторым выводом первого резистора, высокочастотный генератор, воздушный трансформатор, управляемый ключ, второй конденсатор, третий и четвертый резисторы, причем выход генератора переменного напряжения связан с первйчнай обмоткой трансформатора непосредст1767643

20 го сигнала

30

55 венно, а эмиттер транзистора соединен со вторым выводом второго резистора, база— с первым выводом третьего резистора, а коллектор с коллектором транзисторного ключа, вторым выходом мостового выпрямителя и первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого соединен с первым выводом первого конденсатора, второй вывод которого соединен со вторым выводом третьего резистора, первый вывод которого соединен с первым выводом вторичной обмотки воздушного трансформатора и эмиттером управляемого ключа, база которого соединена со вторым выводом вторичной обмотки воздушного трансформатора, первичная обмотка которого соединена с выходом высокочастотного генератора, управляющий вход которого предназначен для подключения к источнику управляющеНедостатком данного устройства является его незащищенность от перенапряжений, возникающих на управляющих переходах силовых ключей в момент аварийных режимов пробоя силовых ключей. В частности, в указанных режимах пробой силового ключа кратковременно (длительность десятки-сотни микросекунд) через . пробитый р-и переход к управляющему переходу прикладывается большое напряжение: для тиристора — анодное напряжение, для транзистора — коллекторное напряжение. При приложении к выходу известного устройства напряжения даже более 10 В, пробивается эмиттер-базовый переход транзистора по цепи; пробитый базо-эмиттерный переход — открытый (смещенный в прямом направлении) базо-коллекторный переход транзистора — второй конденсатор — катод (эмиттер) силового ключа-нарастает и протекает ток, достигающий десятков ампер, который вызывает перегорание проводников (печатных дорожек) в данной цепи, После отключения преобразовательного устройства средствами защиты из-за выгорания собственного управляющего перехода силового ключа, известное устройство остается в неработоспособном состоянии и требует ремонта, вследствие выхода из строя транзистора и выгорания проводников в коллекторной и эмиттерной цепях управляемого ключа.

Целью изобретения является защита устройства от перенапряжений, возникающих при пробоях силового ключа.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для управления силовым ключом, содержащее трансформатор, первичная обмотка которого подключена к источнику переменного напряжения, а вторичная обмотка — к мостовому выпрямителю, второй выход которого подключен к общей точке соединения первого и второго резисторов и второго конденсатора, первый вывод второго конденсатора подсоединен к средней точке вторичной обмотки трансформатора, второму выводу первого конденсатора, второй вывод второго резистора подключен к первому выводу третьего резистора, второй вывод первого резистора соединен с базой транзистора и с первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен с первым выходом узла гальванической развязки и эмиттером управляемого ключа, второй выход узла гальванической развязки соединен с базой управляемого ключа: коллектор которого соединен с коллектором транзисторного ключа, эмиттер транзисторного ключа соединен со вторым выводом третьего резистора. второй выход мостового выпрямителя соединен со вторым выводом второго конденсатора, вход узла гальванической развязки соединен с источником управляющего сигнала, дополнительно введен диод и стабилитрон, причем диод включен между первым выводом первого конденсатора и коллектором транзистора, а стабилитрон— между базой транзистора и вторым выходом второго резистора, На чертеже изображена схема устройства для управления силовым ключом, Устройство для управления силовым ключом содержит трансформатор 1, первичная обмотка которого подключена к источнику переменного напряжения 2 (например, генератор Ройера), а вторичная обмотка — к входу мостового выпрямителя 3. Первый вход выпрямителя подключен к одному из выводов второго 4 и первого 5 резисторов, второго конденсатора 6, Первый вывод второго конденсатора 6 подключен к средней точке вторичной обмотки трансформатора

1, второму выводу первого конденсатора 7 и является первым выходным выводом устройства, Второй вывод второго резистора 4 подключен к первому выводу третьего резистора 8 и является вторым выводом устройства, Второй вывод первого резистора 5 соединен с базой транзистора 9 и с первым выводом четвертого резистора 10, второй вывод которого соединен с первым выходом узла гальванической развязки 11 (например, оптрон или высокочастотный генератор с воздушным трансформатором) и эмиттером управляемого ключа 12, второй выходузла гальванической развязки 11 подключен к базе управляемого ключа 12, коллектор которого соединен с коллектором транзистора 9. Змиттер транзистора 9 сое1767643

15

35

55 динен со вторым выводом третьего резистора 8, Первый выход мостового выпрямителя

3 соединен с первым выводом конденсатора

7, а выход узла гальванической развязки

11 соединен с источником управляемого сигнала 13. Диод 14 соединен анодом с первым выводом первого конденсатора 7, а катодом — с коллектором транзисторного ключа 9. Стабилитрон 15 своим катодом соединен с базой транзисторного ключа 9, а анодом — с первым выводом третьего резистора.

Устройство работает следующим образом.

Поступаемое с выхода источника 2 переменное напряжение посредством трансформатора 1 разделяется гальванически от цепей управления и посредством мостового выпрямителя 3 и фильтровых конденсаторов 6 и 7 выпрямляется и сглаживается до постоянных уровней напряжения положительной и отрицательной полярности.

Рассмотрим режим работы устройства, которому на выходе источника управляющеro сигнала 13 соответствует нулевой сигнал.

При поступлении данного нулевого сигнала на выход узла гальванической развязки 11, . на выходе узла 11 формируется нулевой сигнал, при этом управляющий ключ 12 и транзистор 9 находятся в закрытом состоянии и через управляющий переход силового ключа(выполненного, например, в видетранзистора) от второго (отрицательной полярности) выхода мостового вып рямителя через резистор 4 протекает отрицательный ток, удерживающий силовой ключ в закрытом состоянии.

В другом режиме работы устройства, поступающем при наличии на выходе источника управляющего сигнала 13 положительного напряжения (на выходе узла .гальванической развязки 11 формируется сигнал положительного напряжения) открывается управляющий ключ 12 и транзистор

9. Ток от первого (положительной полярности) выхода мостового выпрямителя 3 через диод 14, транзистор 9 и третий резистор 8 поступает в управляющий переход силового ключа и отпирает его.

При этом схемой стабилизатора тока (составленной на ключе 9 стабилитрона 15 и резистора 8) формируется значение тока в управляющий переход силового ключа, В режиме аварийного пробоя силового ключа положительное напряжение высокого уровня (десятки, сотни, тысячи вольт)

° кратковременно (на время срабатывания средств защиты либо время собственного пробоя управляющего перехода силового ключа) прикладывается к выходным выводам устройства. При этом к эмиттеру транзистора 9 через резистор 3 прикладывается высокий указанный потенциал напряжения.

Одновременно через открытый стабилитрон

15 (от тока по цепи стабилитрон 15- резистор 5 — анодная группа мостового выпрямителя 3 — вторичная обмотка трансформатора 1 — пробитый управляющий переход силового ключа) поднимается потенциал базы ключа 9 до уровня (определяемого обратным напряжением 9,5 — 0,7 В стабилитрона 15), безопасного для эмиттербазового перехода, При этом эмиттер-базовый переход ключа 9 находится под обратным напряжением величиной 0,5 — 0,7

В (равным обратному напряжению на стабилитроне 15), вследствие чего коллекторэмиттерный переход ключа 9 находится в закрытом состоянии. Протеканию тока по цепи: стабилитрон 15 — базоколлекторный переход транзистора 9 — диод 14 — конденсатор 7, препятствует обратно включенный диод 14. Таким образом, в режиме пробоя силового ключа на транзисторе 9 не превышаются его предельные электрические параметры, транзистор 9 и остальные элементы устройства сохраняются в работоспособном состоянии в режиме пробоя силового ключа.

Устройство обеспечивает защиту от перенапряжений, возникающих при пробое силового ключа. Это достигается тем, что посредством введения новых элементов (стабилитрона, диода) и их подключения в аварийном режиме пробоя силового ключа ограничивается на уровне допустимого обратного напряжение, прикладываемое к базо-эмиттерному переходу транзистора, принудительно закрывается коллекторный переход транзистора и исключается протекание тока через базо-коллекторный переход транзистора. Это обеспечивает безопасную работу транзистора и других элементов устройства, а следовательно, защищает устройство управления силовым ключом в целом от перенапряжений при пробое силового ключа. Как следствие, это снижает время восстановления (примерно в

2 раза) и расходы (на 10-50Д) по ремонту преобразовательных устройств после выхода из строя силового ключа, Формула изобретения

Устройство для управления силовым ключом, содержащее трансформатор, первичная обмотка которого предназначена для подключения к источнику переменного напряжения, а крайние выводы вторичной обмотки соединены с входными выводами мостового выпрямителя, первый выходной

1767643

Составитель А. Волков

Техред M,Моргентал Корректор Н,Кешеля

Редактор А. Купрякова

Заказ 3556 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул .Гагарина, 101 вывод которого соединен с первым выводом первого конденсатора, второй вывод которого использован в качестве первого выходного вывода устройства и соединен со средним выводом вторичной обмотки трансформатора и первым выводам второго конденсатора,.второй вывод которого соединен с вторым выходным выводом мостового выпрямителя, первым выводом первого резистора и первым выводам второго резистора, второй вывод которого использован в качестве второго выходного вывода устройства и соединен с первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединен с эмиттером транзистора, база которого соединена с вторым выводом первого резистора, соединенным с коллектором транзистора через последовательно включенные четвертый резистор и управляемый ключ, 5 управляющий вход которого соединен с выходом узла гальванической развязки, вход которого предназначен для подключения к источнику управляющего сигнала, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью защиты от

10 перенапряжений при выходе из строя силового ключа, введены стабилитрон и диод, включенный между первым выводом конденсатора и коллектором транзистора, между базой которого и первым выводом

15 третьего резистора включен стабилитрон.