Устройство для управления силовым ключом

 

Сущность изобретения: устройство содержит транзистор первого типа проводимости 5 и вспомогательный ключевой элемент 2, первый вывод которого соединен с первым выводом источника питания 1, а второй вывод - с первым выходным зажимом, предназначенным для подключения к управляющему электроду силового ключа 3, для подключения к силовому электроду которого предназначен второй выходной зажим, соединенный с первым выводом диода 7 и первым выводом источника напряжения 4, третий вывод вспомогательного ключевого элемента соединен с управляющим входом устройства и первым выводом резистора 9, пороговый элемент 8 включен между вторым выводом диода и базой транзистора, связанной с третьим выводом вспомогательного ключевого элемента, второй вывод которого связан с эмиттером транзистора, коллектор которого соединен с вторым выводом источника напряжения и вторым выводом резистора. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления силовыми ключами различных устройств преобразовательной техники.

Известно устройство для управления силовым ключом, содержащее источник постоянного напряжения, связанный через вспомогательный ключевой элемент с управляющим выводом силового ключа, генератор строб-импульсов запуска и запирания, выводы которого подключены к управляющему электроду вспомогательного ключевого элемента и к силовому выводу силового ключа, а также дополнительный источник постоянного напряжения, резистор смещения и диод [1] К недостаткам устройства относится неудовлетворительная форма управляющего импульса и малая его крутизна, большое число цепей, требующих развязки, и токовое смещение силового ключа, что приводит к снижению надежности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для управления силовым ключом [2] Недостатком устройства является пониженная надежность, что является следствием смещения силового ключа током. При выключении, например, силового транзистора для уменьшения потерь при выключении необходимо обеспечить достаточно большой выключающий ток, например, для транзисторов 2М2-40 и 2М5-80 запирающий ток равен около 5А. При сравнительно небольшом токе смещения увеличивается время выключения транзистора, потери и его температура, что приводит к снижению надежности.

Целью изобретения является повышение надежности устройства для управления силовым ключом.

На фиг. 1 приведено устройство для управления силовым ключом (силовым транзистором); на фиг. 2 и фиг. 3 устройство для управления силовым ключом (запираемым тиристором).

Устройство (фиг. 1) содержит источник питания 1, первый вывод которого через вспомогательный ключ на транзисторах различных типов проводимости 2 связан с выводом для подключения управляющего электрода силового ключа 3. Первый вывод дополнительного источника напряжения 4 связан с выводом для подключения силового электрода силового ключа 3. Второй вывод источника питания 1 подключен к выводу дополнительного источника напряжения 4. Эмиттер дополнительного транзистора 5, проводимость которого противоположна проводимости выходного транзистора 6 вспомогательного ключа 2, подключен к эмиттеру транзистора 6. База дополнительного транзистора 5 через встречно включенные диод 7 и пороговый элемент (стабилитрон) 8 подключена к первому выводу дополнительного источника напряжения 4, непосредственно связана с базой выходного транзистора 6, а через резистор 9 подключена к второму выводу дополнительного источника напряжения 4, связанного с коллектором дополнительного транзистора 5.

Дополнительный источник напряжения 4 может быть выполнен как источник постоянного напряжения, так и состоять из резистора 10, подключенного одним выводом к первому выводу источника питания 1, а другим выводом связанного через пороговый элемент 11, зашунтированный конденсатором 12, с другим выводом источника питания 1. Последовательно с пороговым элементом 11 может быть включен резистор 13.

Вспомогательный ключ 2 выполнен на транзисторах различных типов проводимости 6 и 14.

Устройство работает следующим образом. Пусть вспомогательный ключ 2 закрыт и силовой ключ (силовой транзистор) 3 смещен в обратном направлении током, протекающим по цепи: 1-10 эмиттер базовый переход транзистора 3-5-1. Транзистор 5 открыт током, протекающим через резистор 9.

Напряжение смещения управляющего перехода силового ключа 3 определяется пороговым элементом 8. Выходной транзистор 6 вспомогательного ключа 2 закрыт падением напряжения на эмиттер-базовом переходе дополнительного транзистора 5; транзистор 14 падением напряжения на диоде 15. Ток смещения проходит по цепи: 1-15-16-1.

При отпирании вспомогательного ключа 2 отпирается транзистор 14 и по цепи: 1-15-14-17-6-3-12/13-11/-1 начинает протекать ток, что приводит к появлению тока коллектор транзистора 6. Падение напряжения на резисторе 18 приводит к увеличению тока базы транзистора 14. Происходит лавинообразное отпирание вспомогательного ключа 2. Дополнительный транзистор 5 закрыт падением напряжения на эмиттер-базовом переходе транзистора 6. Диод 7 исключает протекание тока транзисторов 14 и 6 через пороговый элемент 8, резистор 13 и пороговый элемент 11.

После отпирания вспомогательного ключа 2 ток проходит по цепи: 1-18-6-3-13-11-1.

Напряжение на конденсаторе 12 равно падению напряжения на резисторе 13 и пороговом элементе 11.

При выключении вспомогательного ключа 2 уменьшается ток транзистора 14, ток коллектора транзистора 6, что приводит к дальнейшему уменьшению тока транзистора 14. Происходит лавинообразное выключение вспомогательного ключа 2. Током смещения отпирается дополнительный транзистор 5, транзистор 6 запирается падением напряжения на эмиттер-базовом переходе транзистора 5. Ток выключения силового ключа 3 проходит по цепи: 12-3-5-12 и равен произведению тока смещения транзистора 5 на его коэффициент усиления. После восстановления запирающей способности в обратном направлении управляющего перехода силового ключа 3, напряжение смещения на нем определяется пороговым элементом 8.

Протекание значительного по амплитуде выключающего тока приводит к существенному уменьшению времени выключения силового ключа (транзистора) 3, потерь при выключении, снижению температуры и, соответственно, повышению надежности. Уменьшению потерь в силовом ключе (транзисторе) 3 способствует также смещение управляющего перехода ключа в обратном направлении.

Для управления запираемыми тиристорами при одновременном повышении надежности введены блок задания длительности запирающего импульса 19 (фиг. 2), второй вспомогательный ключ 20 и подсоединены к выводу для подключения управляющего электрода силового ключа (запираемого тиристора) 3 и к второму выводу дополнительного источника напряжения 4. Выход блока задания длительности запирающего импульса 19 связан со входом второго вспомогательного ключа 20. Между базами дополнительного транзистора 5 и выходного транзистора 6 вспомогательного ключа 2 включен диод 21.

Пусть в исходном состоянии вспомогательные ключи 2 и 20 закрыты. К управляющему переходу силового ключа 3 в обратном направлении приложено напряжение, определяемое пороговым элементом 8.

Дополнительный транзистор 5 обеспечивает стабилизацию напряжения на управляющем переходе силового ключа 3, величина которого задается пороговым элементом 8. Поэтому заданный уровень напряжения будет обеспечен и при возрастании тока через управляющий переход силового ключа 3 при высокой скорости нарастания напряжения на ключе.

При отпирании вспомогательного ключа 2 дополнительный транзистор 5 запирается падением напряжения на эмиттер-базовом переходе транзистора 6 вспомогательного ключа 2.

При выключении вспомогательного ключа 2 блок задания длительности запирающего импульса 19 отпирает второй вспомогательный ключ 20. По цепи: 4-20 управляющий переход силового ключа 3-4 проходит ток и силовой управляемый вентиль (запираемый тиристор) 3 выключается.

Диод 21 препятствует протеканию тока по цепи: 4-20 эмиттер-база транзистора 6-8-7-4.

К эмиттер-базовому переходу дополнительного транзистора 5 прикладывается запирающее напряжение около 7-10 В. При необходимости для ограничения запирающего напряжения на транзисторе 5 могут быть включены резистор 22 и диоды 23-24.

В случае включения последовательно со вторым вспомогательным ключом 20 резистора 25, при необходимости запирающее напряжение на транзисторе 6 может быть ограничено диодом 26 и пороговым элементом 27. Резистор 28 обеспечивает запирание транзистора 6 при открытом ключе 20.

По окончании запирающего импульса вспомогательный ключ 20 закрывается. Смещение в обратном направлении управляющего перехода силового ключа 3 обеспечивается дополнительным транзистором 5.

Для уменьшения мощности дополнительного транзистора 5 и повышения надежности коллектор указанного транзистора подключен к базе выходного транзистора другого типа проводимости 29 вспомогательного ключа 20, а управляющий вход блока задания длительности запирающего импульса 19, выполненного на транзисторах 30 и 31 различных типов проводимости, через диод 32 связан с коллектором выходного транзистора 29 вспомогательного ключа 20 (фиг. 3).

В блоке задания длительности запирающего импульса 19 база первого транзистора первого типа проводимости 30 через первый резистор 33 и диод 32 связана с коллектором выходного транзистора другого типа проводимости 29 вспомогательного ключа 20, а через диод 34 связана с эмиттером транзистора 30, который через резистор 35. зашунтированный конденсатором 36 и пороговым элементом 37, подсоединен к эмиттеру второго транзистора другого типа проводимости 31, подключенному через диод 38, зашунтированный конденсатором 39, ко второму силовому выводу второго вспомогательного ключа 20, который через резистор 40 связан с базой транзистора 31, которая через резистор 41 подключена к коллектору первого транзистора 30. Коллектор транзистора 31 через последовательно соединенные диод 42 и резистор 43 связан с базой первого транзистора 30, которая через резистор 44 связана с эмиттером транзистора 31.

Во втором вспомогательном ключе 20 база первого транзистора первого типа проводимости 45 через резистор 46 подключена к первому выводу источника постоянного напряжения 1, через резистор 47 подключена к коллектору транзистора 31 блока задания длительности запирающего импульса, а через диод 48 связана с эмиттером транзистора 45, соединенным с выводом для подключения силового электрода силового ключа (запираемого тиристора) 3. Коллектор транзистора 45 через резистор 49 связан с базой транзистора другого типа проводимости 29, соединенной через резистор 50 с его эмиттером и вторым выводом дополнительного источника напряжения 4. Коллектор транзистора 29 связан с выводом для подключения управляющего электрода силового ключа 3.

При необходимости коллектор транзистора 29 может быть связан с выводом для подключения управляющего электрода силового ключа 3 через резистор 25.

Устройство работает следующим образом.

При закрытом силовом ключе 3 на его управляющем переходе стабилизатором напряжения на транзисторах 5 и 29 поддерживается напряжение смещения, задаваемое пороговым элементом 8. Транзистор 29 выбирается из условия выключения запираемого тиристора 3 при максимальном токе, поэтому при выборе соответствующего напряжения смещения, задаваемого пороговым элементом 8, может быть повышена устойчивость запираемого тиристора к скорости нарастания напряжения и, соответственно, повышена надежность.

При отпирании вспомогательного ключа 2 запирается транзистор 5, конденсатор 36 заряжается до напряжения на пороговом элементе 37 по цепи: 1-18-6-25-32-33-34-36/37/-38/39/-1. Ток проходит также по цепи: 1-18-6 управляющий переход силового ключа 3-4/51/-1.

Пороговый элемент 51 включается при отсутствии обратной проводимости источника питания 4. Напряжение источника питания 1 выше напряжения дополнительного источника напряжения 4.

При запирании вспомогательного ключа 2 конденсатор 36 начинает разряжаться по цепи: 36 эмиттер-база транзистора 30-44-36, что приводит к появлению тока в цепи: 36-30-41-31-36 и протеканию тока коллектора транзистора 31 по цепи: 36-30-43-42-31-36. Происходит лавинообразное отпирание транзисторов 30 и 31. Начинает протекать ток по цепи: 4-45-47-31-38/39/-4, а также по цепи: 4-45-49-29-4 и транзистор 29 открывается. По цепи: 4 управляющий переход силового ключа 3-25-29-4 проходит ток и силовой ключ 3 запирается. В режиме насыщения напряжение коллектор-эмиттер транзистора 29 является стабильным и сравнительно небольшим, что позволяет повысить надежность работы устройства. Диод 32 исключает разряд конденсатора 36 через резистор 33 и транзистор 29, поэтому сопротивление резистора 33 может быть уменьшено. Уменьшается минимальная длительность импульса напряжения на нагрузке (длительность открытого состояния силового ключа 3), что является важным преимуществом предлагаемого устройства.

По мере разряда конденсатора 36 уменьшается ток базы транзисторов 30 и 31. После выхода транзисторов 30 и 31 из режима насыщения начинается лавинообразное выключение транзисторов 30 и 31. Запирается транзистор 45. Стабилизатор на транзисторах 5 и 29 начинает поддерживать стабильное напряжение смещения на управляющем переходе силового ключа 3.

Существенными признаками является то, что проводимость дополнительного транзистора 5 противоположна проводимости выходных транзисторов 6 и 29 вспомогательных ключей 2 и 20.

Конкретное выполнение вспомогательных ключей 2 и 20 относится к несущественным признакам и в принципиальном плане не влияют на работу устройства.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СИЛОВЫМ КЛЮЧОМ, содержащее транзистор первого типа проводимости, вспомогательный ключевой элемент, диод, источник питания, источник напряжения и первый резистор, первый вывод вспомогательного ключевого элемента соединен с первым выводом источника питания, а второй вывод с первым выходным зажимом, предназначенным для подключения к управляющему электроду силового ключа, для подключения к силовому электроду которого предназначен второй выходной зажим, соединенный с первыми выводами диода и источника напряжения, один из выводов которого соединен с вторым выводом источника питания, причем вспомогательный ключевой элемент выполнен содержащим по крайней мере один транзистор второго типа проводимости и резистор, первый вывод которого использован в качестве первого вывода вспомогательного ключевого элемента, а второй вывод соединен с коллектором транзистора второго типа проводимости, эмиттер которого использован в качестве второго вывода вспомогательного ключевого элемента, а база в качестве третьего вывода вспомогательного ключевого элемента, соединенного с управляющим входом устройства и первым выводом первого резистора, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности, в него введен пороговый элемент, причем последний включен между вторым выводом диода и базой транзистора первого типа проводимости, связанной с третьим выводом вспомогательного ключевого элемента, второй вывод которого связан с эмиттером транзистора первого типа проводимости, коллектор которого соединен с вторыми выводами источника напряжения и первого резистора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в него введены блок задания длительности запирающего импульса, вспомогательный диод и вспомогательный ключ, причем последний включен между первым выходным выводом и вторым выводом источника напряжения, база транзистора первого типа проводимости связана с третьим выводом вспомогательного ключевого элемента через вспомогательный диод, а управляющий вход вспомогательного ключа соединен с выходом блока задания длительности запирающего импульса.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в него введен дополнительный диод, а блок задания длительности запирающих импульсов выполнен с управляющим входом, связанным через дополнительный диод с первым выходным зажимом.

РИСУНКИ

Рисунок 1