Способ управления транзисторным ключом

 

Изобретение относится к автоматике и может использоваться для управления силовыми транзисторными ключами (ТК) на биполярных транзисторах, используемых в бесконтактной защитно-коммутационной аппаратуре. Способ управления транзисторным ключом обладает точностью управления. Формирование базового тока ТК производится исходя из поддержания минимального уровня рассеиваемой мощности, а не поддержания постоянного падения напряжения на ключе. Способ основан на подаче и регулировании тока в базовой цепи. Одновременно с подачи в базовую цепь ТК постоянного тока производят регулируемую подачу в базовую цепь переменного тока с амплитудой меньше уровня постоянного тока, а также нерегулируемую подачу в базовую цепь переменного тока с минимально возможной амплитудой, обеспечивающей надежное выделение этой составляющей на фоне шумов. Измеряются суммарные переменные составляющие тока в базовой и силовой цепях ТК и производится сравнение последних. Выделяют постоянную составляющую разностного сигнала и регулирование производят по выделенной постоянной составляющей. Подача небольшой по величине переменной составляющей тока в базовую цепь ТК с последующим сравнением реакции ТК на эту составляющую позволяет определить состояние ТК. Регулирование постоянной составляющей базового тока ТК в зависимости от состояния ТК позволяет минимизировать бесполезные тепловые потери на ТК, т.е. повысить точность управления. 1 ил.

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано для управления силовыми транзисторными ключами (ТК) на биполярных транзисторах, используемыми в бесконтактной защитно- коммутационной аппаратуре.

Одним из основных требований к мощным транзисторным ключам является достижение высокого КПД. Особенно это требование ощутимо для мощных ТК, используемых на объектах с автономными источниками питания: автомобилях, самолетах и т. д. , т. е. там, где ограничена мощность источников питания и затруднено охлаждение элементов схемы.

Одним из наиболее эффективных способов управления ТК, обеспечивающим получение высокого КПД, является способ, основанный на формировании (подаче) и регулировании тока в базовой цепи ключа. Достаточно подробное описание этого способа приведено в статье Е.В. Машукова. Транзисторные ключи для устройств управления и коммутации, опубликованной в сб. Электронная техника в автоматике./Под ред. Ю. И. Конева, вып. 8, М.: Сов. радио, 1976. В описываемых транзисторных ключах подача и регулирование базового тока производится на основе сигнала рассогласования, который получается при измерении падения напряжения на силовых электродах ТК и сравнении его с заданной эталонной величиной. При данном способе управления ТК имеем постоянную величину падения напряжения на силовых электродах ТК независимо от тока нагрузки.

Наиболее близким к изобретению по сути является способ, описанный в патенте США N 4156837, принятый за прототип. В отмеченном патенте высокая эффективность работы ТК достигается за счет использования способа управления, основанного на подаче тока в базовую цепь, измерении параметра в силовой цепи и регулировании тока в базовой цепи по измеренному параметру. Операционный усилитель (ОУ) производит измерение остаточного напряжения на открытом ключе, сравнивает его с опорной величиной и через усилитель мощности формирует базовый ток ТК таким образом, что остаточное напряжение на ключе не превышает опорное. Данный способ управления транзисторным ключом обладает наиболее высоким КПД из известных.

Экспериментальное исследование выявило и недостаток способа, использованного в патенте США N 4156837, который заключается в невысокой точности управления ключом. Под точностью в данном случае понимается соответствие базового тока ключа и степени насыщения последнего. Недостаток способа, принятого за прототип, заключается прежде всего в том, что способ основан на поддержании постоянной величины падения напряжения на ключе, а не поддержании минимального уровня рассеиваемой мощности.

Техническим результатом изобретения является повышение точности регулирования.

Указанный результат достигается тем, что по способу управления ТК, основанному на подаче тока в базовую цепь, измерении параметра в силовой цепи и регулировании тока в базовой цепи, одновременно с подачей в базовую цепь постоянного тока производят регулируемую подачу в базовую цепь переменного тока с амплитудой, не превышающей уровень постоянного тока, а также нерегулируемую подачу в базовую цепь переменного тока с минимально возможной амплитудой, обеспечивающей надежное выделение на фоне шумов, измеряют суммарные переменные составляющие тока в базовой и силовой цепях ТК, производят сравнение последних, выделяют постоянную составляющую разностного сигнала и регулирование производят по выделенной постоянной составляющей.

Повышение точности регулирования происходит за счет того, что параметр, по которому происходит формирование базового тока ТК, создается искусственно. Этот параметр позволяет более точно определить состояние ТК, чем имеющиеся другие параметры, например остаточное напряжение на ключе. Подача регулируемой и нерегулируемой переменных составляющих в базовую цепь ТК переменных вызывает появление в силовой цепи ТК переменных составляющих, величины которых зависят от состояния ТК (степени насыщения). Измерение суммарных переменных составляющих в базовой и силовой цепях ТК при последующем их сравнении позволяет определить необходимое последующее регулирование базового тока.

Одна из возможных реализаций способа приведена в схеме устройства, показанной на чертеже, где 1 - силовой транзистор, регулирование которым осуществляется по данному способу, 2 - источник напряжения постоянного тока, 3 - источник напряжения переменного тока, 4 - транзистор, регулирующий подачу постоянного тока, 5 - транзистор, регулирующий подачу переменного тока, 6 - резистор, обеспечивающий нерегулируемую подачу переменного тока, 7 - переключатель, 8 - резистор, датчик тока в базовой цепи, 9 - резистор, датчик тока в эмиттерной цепи, 10, 11- конденсаторы, обеспечивающие выделение переменной составляющей, 12, 13, 14 - операционные усилители (ОУ), 15 - 22 - резисторы, 23, 24 - диоды, 25, 26, 27 - конденсаторы, 28, 29 - электроды подключения цепи нагрузки, 30 - общая шина.

Указанные элементы соединены между собой следующим образом. Базовая цепь силового транзистора 1 через регулирующий транзистор 4 соединена с источником напряжения постоянного тока 2 и через переключатель 7, резистор 8 (датчик тока базовой цепи) - с общей шиной 30. Кроме того, база транзистора 1 соединена с источником напряжения переменного тока 3 через параллельно соединенные регулирующий транзистор 5 и резистор 6. Далее, источник 3 через конденсатор 27, переключатель 7 и резистор 8 соединен с общей шиной 30. Эмиттер транзистора 1 через резистор 9 - датчик тока в эмиттерной (силовой) цепи соединен с общей шиной 30 и одним электродом подключения нагрузки 29. Коллектор силового транзистора 1 подключен к второму электроду подключения нагрузки 28. Выход датчика тока в базовой цепи (резистор 8) соединен через конденсатор 10 с входом масштабного усилителя, выполненного на операционном усилителе 12 и резисторах 15 - 17. Выход усилителя через диод 23 соединен с низкочастотным фильтром, выполненным на параллельно включенных резисторе 21 и конденсаторе 25. Выход датчика тока в силовой цепи (резистор 9) соединен с входом масштабного усилителя, выполненного на операционном усилителе 13 и резисторах 18 - 20. Выход усилителя через диод 24 соединен с низкочастотным фильтром, выполненным на параллельно включенных резисторе 22 и конденсаторе 26. Выходы фильтров соединены с входами устройства сравнения, выполненного на операционном усилителе 14. Выход усилителя 14 соединен с входами регулирующих транзисторов 4 и 5.

Способ управления ТК реализуется следующим образом. Транзистор 1 является силовым, осуществляющим коммутацию тока нагрузки. Базовый ток транзистора 1 создается источником напряжения постоянного тока 2, параллельно которому подключен источник напряжения переменного тока 3. Включение и выключение источников осуществляется переключателем 7. Резистор 9 - датчик тока в силовой цепи ТК, а резистор 8 - датчик тока в базовой цепи ключа. Регулирование постоянного и переменного тока в базовой цепи ТК осуществляется транзисторами 4 и 5 соответственно, управление которыми производится ОУ 14.

При включении переключателя 7 происходит подача в базовую цепь ТК постоянного тока от источника 2, а также подача переменного тока от источника 3. Напряжение, падающее на резисторе 8, пропорционально току в базовой цепи ТК, а напряжение на резисторе 9 - току в силовой цепи (цепи эмиттера силового транзистора). Конденсаторы 10 и 11 отфильтровывают переменные составляющие напряжений, которые необходимы для измерений и дальнейшего сравнения. Эти составляющие усиливаются усилителями с фиксированными коэффициентами усиления, выполненными на ОУ 12, резисторах 15 - 17, и ОУ 13, резисторах 18 - 20. Преобразование, выполняемое усилителями 12, 13, диодами 23 и 24, позволяет подвести к схеме сравнения постоянные напряжения, пропорциональные измеренным сигналам с датчиков тока 8 и 9. Напряжения от измерительной части (12, 13, 23, 24) поступают на резисторы 21 и 22, образующие мостовую схему сравнения. Конденсаторы 25 и 26 необходимы для выделения постоянной составляющей сигнала. Разность напряжений, образующаяся на резисторах 21 и 22, поступает на входы ОУ 14, управляющего через регулирующие транзисторы 4 и 5 формированием (подачей) базового тока ТК. Если уровень переменной составляющей тока в базовой цепи превышает уровень в силовой, это означает, что силовой транзистор 1 сильно насыщен и ОУ 14 прикрывает транзисторы 4 и 5, уменьшая величину базового тока ТК. Увеличение уровня переменной составляющей в силовой цепи ТК означает, что транзистор входит в активный режим. При этом ОУ 14 через транзистор 4 увеличивает базовый ток ТК, каждый раз поддерживая последний на грани насыщения. Ток генератора переменного напряжения 3 создает на датчиках тока 8 и 9 пропорциональные падения напряжения, сигнал рассогласования создается лишь силовым током ТК. Точность работы устройства определяется в основном лишь коэффициентами усиления в петле обратной связи (ОУ 12, 13, 14, транзисторы 1, 4).

В случае разрыва силовой цепи транзистора (отключение нагрузки) происходит автоматическое снижение уровня регулируемых постоянных и переменных составляющих базового тока до нуля. В базовую цепь подается лишь нерегулируемая переменная составляющая минимальной амплитуды, что позволяет осуществить ее надежное выделение на фоне шумов. Это устойчивое состояние процесса управления ТК будет продолжаться до момента подключения нагрузки (например, восстановление целостности электрической цепи нагрузки), когда произойдет увеличение уровня переменной составляющей тока в силовой цепи ТК. Далее, управление производится в соответствии с приведенным выше. Осуществляется регулирование (через транзисторы 4 и 5) постоянной и переменной составляющих базового тока силового транзистора. Конденсатор 27 препятствует прохождению постоянного тока от источника 2 через источник 3.

Регулирование уровня переменной составляющей базового тока позволяет компенсировать увеличение переменных составляющих в силовой цепи ключа, которое происходит при увеличении мощности нагрузки. Это в свою очередь обеспечивает превышение уровня искусственно формируемой переменной составляющей над уровнем шумов и надежное выделение первой.

Амплитуда регулируемой переменной составляющей базового тока не должна превышать уровень постоянной составляющей базового тока. В противном случае будет происходить нарушение непрерывности тока, подаваемого в базу и соответственно прерывание тока через нагрузку, что нежелательно.

Предложенный способ управления ТК имеет более высокую точность по сравнению с прототипом и, как следствие, более высокий КПД. Повышение точности управления устройства происходит за счет того, что формирование базового тока ТК производится исходя из поддержания минимального уровня рассеиваемой мощности, а не поддержания постоянной величины падения напряжения на ключе.

Пример. Транзистор 2Т630А (ЮФЗ.365.043 ТУ) при токе 0,85 А может иметь максимальное падение напряжения на выводах до 0,5 В, а при токе 0,1 А - 0,1 В. Если схема при управлении ключом будет поддерживать на его выводах напряжение 0,5 В во всем диапазоне токов, то при снижении тока через ключ до 0,1 А мощность, выделяемая в цепи коллектор - эмиттер ТК, составит 0,1 А · 0,5 В = 0,05 Вт, в то время как при повышении точности регулирования, выделяемая мощность снизится до 0,1 А · 0,1 В= 0,01 Вт. Повышение точности регулирования снижает потери в силовой части ТК в данном примере в 5 раз. Потери в цепи управления уменьшаются аналогично, но в меньшей степени.

Предлагаемый способ не чувствителен к изменению параметров окружающей среды, параметрам силового транзистора, что позволяет ТК устойчиво работать при любых изменениях окружающей среды, нагрузки, напряжений источника питания.

ТК, выполненный на основе предложенного способа, не требует настроек, регулировок, что ускоряет процесс его сборки.

Формула изобретения

Способ управления транзисторным ключом, основанный на подаче тока в базовую цепь, измерении параметра в силовой цепи и регулировании тока в базовой цепи, отличающийся тем, что одновременно с подачей в базовую цепь постоянного тока производят регулируемую подачу в базовую цепь переменного тока с амплитудой, не превышающей уровень постоянного тока, а также нерегулируемую подачу в базовую цепь переменного тока с минимально возможной амплитудой, обеспечивающей надежное выделение на фоне шумов, измеряют суммарные переменные составляющие тока в базовой и силовой цепях транзисторного ключа, производят сравнение последних, выделяют постоянную составляющую разностного сигнала и регулирование производят по выделенной постоянной составляющей.

РИСУНКИ

Рисунок 1