Устройство управления транзисторным ключом

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам коммутации постоянного тока с применением транзисторов, и может быть использовано, например, в источниках вторичного электропитания для управления ключами с гальванической развязкой силовой и управляющей цепей с целью обеспечения форсированного переключения без потребления форсирующего тока от источника внешнего однополярного управляющего сигнала, в условиях широкого диапазона изменения его коэффициента заполнения. Устройство содержит согласующий трансформатор, первая обмотка которого включена в контур из источника постоянного напряжения и силового перехода управляемого током усилительного транзистора, один из электродов которого соединен с управляющим входом устройства через резистор, а также соединен со вторым общим электродом управляющего входа усилительного транзистора через первый форсирующий конденсатор, первый диод и обмотку положительной обратной связи. Устройство содержит также первый и второй запирающие транзисторы, обратные диоды, вторую и выходную обмотки. Технический результат: повышение кпд, коэффициента использования по выходному току, удельных массогабаритных показателей и расширение области применения устройства для случая малых значений коэффициента заполнения управляющего сигнала достигнуто введением в устройство второго запирающего транзистора и его новыми связями с известными элементами. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам коммутации постоянного тока с применением транзисторов в ключевом режиме, и может быть использовано, например, в импульсных источниках вторичного электропитания для управления с гальванической развязкой транзисторными ключами с выхода микросхемы узла управления с обеспечением форсированного переключения без потребления от микросхемы форсирующего тока в широком диапазоне изменения коэффициента заполнения управляющего сигнала.

Известно устройство управления ключевым усилительным транзистором, силовой переход которого включен последовательно с нагрузкой и источником постоянного напряжения, образуя силовой контур, управляющий электрод соединен с управляющим входом устройства через токозадающий резистор, а также подключен через последовательно соединенные конденсатор и резистор к точке соединения источника постоянного напряжения и нагрузки, содержащее также запирающий транзистор, силовой электрод управляющего входа которого подключен к точке соединения выводов конденсатора и резистора, второй силовой электрод запирающего транзистора соединен с эмиттером усилительного транзистора, а база соединена с управляющим входом устройства [1].

Недостатки известного устройства - ограничение области применения и снижение кпд, обусловлены ухудшением запирания усилительного транзистора при снижении коэффициента заполнения управляющего сигнала из-за уменьшения при этом энергии, накапливаемой в конденсаторе по мере снижения длительности управляющего сигнала и времени открытого состояния усилительного транзистора.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство управления транзисторным ключом, содержащее согласующий трансформатор, первая обмотка которого включена последовательно в контур с источником постоянного напряжения и с силовой цепью усилительного транзистора, один из электродов управляющего входа которого соединен через первый резистор с первым выводом управляющего входа устройства, а через первый конденсатор, обмотку положительной обратной связи и первый диод - со вторым выводом управляющего входа усилительного транзистора, содержащее первый запирающий транзистор, эмиттер которого соединен через форсирующий конденсатор с общей точкой управляющего электрода усилительного транзистора и первого резистора, а база соединена со вторым выводом упомянутого первого резистора; содержащее также вторую обмотку, соединенную первым выводом с точкой соединения первого вывода источника постоянного напряжения и разноименного вывода первой обмотки, а второй вывод второй обмотки соединен через второй диод со вторым выводом источника постоянного напряжения, содержащее также третью обмотку, соединенную с управляющим входом ключа [2].

Недостатки известного устройства - снижение кпд, использования по допустимому выходному току и удельных массогабаритных показателей, обусловлены необходимостью увеличения тока холостого хода согласующего трансформатора с целью запасания энергии для запирания транзисторного ключа и удержания его в закрытом состоянии. Другой недостаток устройства - ограничение области применения, обусловлен уменьшением энергии, накапливаемой в первичной обмотке на интервале включенного состояния ключа по мере снижения коэффициента заполнения управляющего сигнала.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение кпд, коэффициента использования по выходному току, удельных массогабаритных показателей и расширение области применения устройства управления транзисторным ключом для случая малых значений коэффициента заполнения управляющего сигнала.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в устройстве управления транзисторным ключом, содержащем согласующий трансформатор, первая обмотка которого включена последовательно в контур с источником постоянного напряжения и с силовым переходом управляемого током усилительного транзистора, первый электрод управляющего входа которого соединен с первой клеммой управляющего входа устройства через первую токозадающую цепь, содержащую первый резистор, а также соединен со вторым электродом управляющего входа усилительного транзистора через форсирующую цепь, содержащую последовательно соединенные первый конденсатор, обмотку положительной обратной связи, и первый диод, включенный с направлением проводимости, совпадающим с током включения усилительного транзистора; содержащем также первый запирающий транзистор, силовой электрод управляющего входа которого соединен через упомянутый первый конденсатор с точкой соединения управляющего электрода усилительного транзистора и первого вывода первого резистора первой токозадающей цепи, а через обмотку положительной обратной связи и первый диод - со вторым электродом управляющего входа усилительного транзистора; управляющий электрод первого запирающего транзистора соединен со вторым выводом первого резистора первой токозадающей цепи; содержащем также вторую обмотку, соединенную первым выводом с разноименным выводом первой обмотки и первым выводом источника постоянного напряжения, а вторым выводом соединенную со вторым выводом источника постоянного напряжения через второй диод, включенный с направлением проводимости, обратным направлению тока от источника постоянного напряжения; содержащем, по меньшей мере, одну выходную третью обмотку, соединенную с управляющим входом ключа, предложено как новое: введен второй запирающий транзистор, общий электрод управляющего входа которого соединен со вторым общим электродом усилительного транзистора, второй электрод управляющего входа второго запирающего транзистора соединен со вторым силовым электродом первого запирающего транзистора, а второй силовой электрод второго запирающего транзистора, подключен непосредственно или через вторую токозадающую цепь к общей точке соединения вывода второй обмотки с электродом второго диода.

Дополнительно в устройстве предложено: вторая токозадающая цепь выполнена из двух последовательно соединенных резисторов, один из которых шунтирован вторым конденсатором; между управляющим входом устройства и вторым выводом первого резистора первой токозадающей цепи включен второй токозадающий резистор; силовой переход усилительного транзистора шунтирован третьим диодом, включенным с направлением проводимости, встречным току от действия источника постоянного напряжения; управляющий вход усилительного транзистора шунтирован четвертым диодом, включенным с направлением проводимости, встречным направлению тока включения усилительного транзистора от действия внешнего источника управляющих импульсов.

На фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства управления транзисторным ключом, выполненного на биполярных управляемых током транзисторах, а на фиг. 2 - вариант устройства, выполненного на полевых транзисторах, по меньшей мере, один из которых - усилительный транзистор - управляется током. Возможно выполнение устройства с применением биполярных и полевых транзисторов одновременно. Элементы одинакового функционального назначения на фиг. 1 и фиг. 2 обозначены одинаковыми цифрами.

Устройство управления 1 транзисторным ключом 2, выполненное по произвольной схеме, например по схеме с эмиттерной коммутацией, содержит согласующий трансформатор 3 с первичной обмоткой 4, источник постоянного напряжения 5, усилительный транзистор 6, управляющий электрод 7 которого соединен через первую токозадающую цепь 8, содержащую первый 9 и второй 10 резисторы, с первой клеммой 11 управляющего входа устройства, а также соединен со вторым электродом 12 усилительного транзистора 6 через форсирующую цепь 13, содержащую последовательно соединенные первый конденсатор 14, обмотку 15 положительной обратной связи, первый диод 16, ограничивающий резистор 17. Устройство также содержит первый запирающий транзистор 18, силовой электрод 19 управляющего входа которого соединен через первый конденсатор 14 и резистор 17 с общей точкой соединения управляющего электрода 7 и первого вывода первого резистора 9, а через обмотку 15 положительной обратной связи и первый диод 16 - со вторым электродом 12 управляющего входа усилительного транзистора 6; управляющий электрод 20 первого запирающего транзистора 18 соединен со вторым выводом первого резистора 9 первой токозадающей цепи 8, второй силовой электрод 21 первого запирающего транзистора 18 соединен с управляющим электродом 22 второго запирающего транзистора 23, силовой электрод управляющего входа которого 24 соединен со вторым электродом 12 усилительного транзистора 6, второй силовой электрод 25 второго запирающего транзистора подключен через вторую токозадающую цепь 26, содержащую два последовательно соединенных резистора 27 и 28, один из которых шунтирован вторым конденсатором 29, к "началу" второй обмотки 30, "конец" которой соединен с "началом" первичной обмотки 4 и первым выводом источника постоянного напряжения 5. Второй вывод источника постоянного напряжения 5 соединен через второй 31 и третий 32 обратные диоды, направление проводимости которых обратно направлению тока от источника постоянного напряжения 5, к двум другим разноименным выводам обмоток, соответственно, второй 30 и первой 4. Выходная обмотка 33 соединена с управляющим входом транзисторного ключа 2, выполненного, например, по схеме с "эмиттерной коммутацией". Четвертый обратный диод 34 шунтирует управляющий вход усилительного транзистора 6.

Устройство управления транзисторным ключом в установившемся режиме работает следующим образом. С поступлением фронта управляющего импульса положительной полярности на потенциальную клемму 11 относительно общей шины управляющего входа устройства через резисторы 9 и 10 и управляющий переход 7-12 усилительного транзистора 6 протекает ток, включающий транзистор 6, что обусловливает появление намагничивающей силы первой обмотки 4 и появление ЭДС на всех обмотках трансформатора 3 положительной полярности у "начал" обмоток (помечены точками). ЭДС обмотки положительной обратной связи 15 обуславливает протекание кратковременного (2÷3 мкс) импульса тока заряда конденсатора 14 по цепи: (+)15, 16, 17, 14, 7, 12, 15, форсирующего включение 6. Транзистор 18 при этом закрыт, т.к. выполняется соотношение U₉= U₁₁-U₁₀-U_7-12>U₁₄, обеспечивающее обратное (запирающее) смещение управляющего перехода 7-12 усилительного транзистора 6 разностью напряжений (U₉-U₁₄). На интервале действия управляющего импульса U_y транзистор 6 и ключ 2 открыты и насыщенны, транзисторы 18 и 23 - закрыты, конденсатор 14 заряжен U₁₄≈U₁₅≈0,8•U₁₁; ранее заряженный конденсатор 29 разряжается на резистор 27 за время t_p= 3C₂₉•R₂₇<(T-t), где Т - период управляющего напряжения, а t_имах - максимальная длительность управляющего импульса. В момент окончания импульса U_y (среза импульса) U₉ спадает до нуля, U₁₄ открывает транзистор 18 по цепи: (+)14, 17, 19, 20, 9, (-)14, при этом конденсатор 14 разряжается также по цепи: (+)14, 17, 19-21, 22-24, 34 и 12-7, (-)14, обеспечивая открывание второго закрывающего транзистора 23 и форсированное закрывание усилительного транзистора 6, что приводит к смене полярности ЭДС на обмотках трансформатора 3. Резистор 10 ограничивает ток базы транзистора 18 при управлении от микросхем с малым выходным сопротивлением при нулевом уровне выходного сигнала. Реактивная энергия обмотки 4 через обратный диод 31 и вторую обмотку 30 передается в конденсатор, шунтирующий источник 5 постоянного напряжения, ЭДС выходной обмотки 33 закрывает ключ 2. Открытое состояние транзистора 23 в интервале паузы управляющего напряжения обеспечивает протекание тока по цепи: (+)5, 30, 28, 27, 25-24, (-)5 и передачу энергии от обмотки 30 в обмотку 33 от источника постоянного напряжения 5 для надежного закрывания и удержания в закрытом состоянии ключа 2 независимо от величины коэффициента заполнения управляющего сигнала и количества энергии, накопленной в первичной обмотке 4 за время открытого состояния усилительного транзистора 6. Это позволяет уменьшить ток намагничивания трансформатора 3, т. е. уменьшить ток через обмотки 4, 30 и через транзистор 6 приблизительно в два раза, уменьшить сечение провода обмотки 4 и габариты трансформатора 3. Поскольку ампервитки обмотки 30 встречны ампервиткам обмотки 4, то имеет место перемагничивание магнитопровода трансформатора 3, что позволяет дополнительно уменьшить его массу и габариты. С поступлением фронта второго управляющего импульса снова включается транзистор 6, падение напряжения на резисторе 9 снова закрывает транзистор 18 и, следовательно, закрывается транзистор 23, вызывая изменение полярности ЭДС на всех обмотках трансформатора 3 и включение ключа 2. Реактивная энергия обмотки 30 при этом рекуперирует через обмотку 4 и диод 32 в конденсатор, шунтирующий источник постоянного напряжения 5. Конденсатор 29 при этом разряжается на резистор 27. Далее электрические процессы периодически повторяются, как было описано выше.

В ближайшем аналогичном устройстве энергия для закрывания ключа накапливается за время открытого состояния ключа с нарастанием тока намагничивания через первичную обмотку согласующего трансформатора. В предлагаемом устройстве энергия для закрывания ключа трансформируется на управляющий вход ключа непосредственно от источника постоянного напряжения в процессе закрывания и закрытого состояния ключа. Таким образом новые признаки предложенного устройства обеспечивают эффективное закрывание ключа при малых коэффициентах заполнения управляющего сигнала, что расширяет область его применения. При этом обеспечено уменьшение тока первичной обмотки и усилительного транзистора в 1,5÷2 раза за счет снижения тока намагничивания согласующего трансформатора, а также перемагничивание его магнитопровода. Это повышает кпд, коэффициент использования устройства по выходной мощности и его удельные массогабаритные показатели.

Испытания устройства по схемам ближайшего аналога и предложенного устройства подтвердили возможность получения упомянутого технико-экономического эффекта.

Источники информации 1 Авт. свид. СССР 1561181, МКИ 5 Н 02 М 7/537, опубл. БИ 16, 1990. Кадацкий А. Ф., Саксонов А.В. Устройство для управления силовым транзисторным ключом.

2 Пат. РФ 2014718, MKИ 5 H 02 M 7/537, опубл. БИ 11, 1994. Кадацкий А.Ф. , Саксонов А.В. Устройство управления коммутирующим транзистором.

Формула изобретения

1. Устройство управления транзисторным ключом, содержащее согласующий трансформатор, первая обмотка которого включена последовательно в контур с источником постоянного напряжения и с силовым переходом управляемого током, усилительного транзистора, первый электрод управляющего входа которого соединен с первой клеммой управляющего входа устройства через первую токозадающую цепь, содержащую первый резистор, а также соединен со вторым электродом управляющего входа усилительного транзистора через форсирующую цепь, содержащую последовательно соединенные первый конденсатор, обмотку положительной обратной связи согласующего трансформатора и первый диод, включенный с направлением проводимости, совпадающей с током включения усилительного транзистора, содержащее также запирающий транзистор, силовой электрод управляющего входа которого соединен через упомянутый первый конденсатор с точкой соединения первого электрода управляющего входа усилительного транзистора и первого вывода первого резистора первой токозадающей цепи, а через обмотку положительной обратной связи и первый диод - со вторым электродом управляющего входа усилительного транзистора, управляющий электрод первого запирающего транзистора соединен со вторым выводом первого резистора первой токозадающий цепи, содержащее также вторую обмотку согласующего трансформатора, соединенную первым выводом с разноименным выводом первой обмотки согласующего трансформатора и первым выводом источника постоянного напряжения, а вторым выводом соединенную со вторым выводом источника постоянного напряжения через второй диод, включенный с направлением проводимости, обратным направлению тока от источника постоянного напряжения, содержащее, по меньшей мере, одну выходную обмотку согласующего трансформатора, соединенную с управляющим входом ключа, отличающееся тем, что введен второй запирающий транзистор, общий электрод управляющего входа которого соединен со вторым электродом управляющего входа усилительного транзистора, второй электрод управляющего входа второго запирающего транзистора соединен со вторым силовым электродом первого запирающего транзистора, а второй силовой электрод второго запирающего транзистора, подключен непосредственно или через вторую токозадающую цепь к общей точке соединения вывода второй обмотки согласующего трансформатора с электродом второго диода.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вторая токозадающяя цепь выполнена из двух последовательно соединенных резисторов, один из которых шунтирован вторым конденсатором.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый запирающий транзистор выбран биполярного типа, и между клеммой управляющего входа устройства и вторым выводом первого резистора первой токозадающей цепи включен второй токозадающий резистор.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что силовой переход усилительного транзистора шунтирован третьим диодом, включенным с направлением проводимости встречным току от действия источника постоянного напряжения.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что управляющий вход усилительного транзистора шунтирован четвертым диодом, включенным с направлением проводимости встречным направлению тока включения усилительного транзистора от действия внешнего источника управляющих импульсов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2