Устройство для управления силовым ключом

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 43 А 1 1)5 Н 02 М 1/08 И О А ЗОБРЕ КОМУ СВИДЕТЕЛ В Носов ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР(71) Всесоюзный науч и о-исследо вательский, проектно-конструкторский итехнологический институт силовых полупроводниковых устройств72) А,В,Волков, А,А,Крисан, Е.В, иВ,П,Танаевский(56) Авторское свидетельство СССРЛЬ 652663, кл. Н 02 М 1/08, 1989 г.Авторское свидетельство СССР по заявкеК. 4709531, кл, Н 02 М 1/08, 1989 г.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СИЛОВЫМ КЛЮЧОМ(57) Сущность изобретения: при наличиисигнала 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 стабилитрона 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.Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления силовыми тиристорами итранзисторами управляемых выпрямителей, автономных инверторов и других преобразовательных устройств.Известно устройство для управлениясиловым тиристором, содержащее генератор прямоугольным колебаний, состоящийиз источникапитания со средней точкой идвух ключей, выходной трансформатор,первичная обмотка котороГо подключена кгенератору через управляемый ключ, а вторичная обмотка со средней точкой подключена к управляющей цепи тиристорамичерез выпрямитель, причем средняя точкаэтой обмотки соединена с катодом тиристора и конденсатором, вторая обкладка кото рого через резистор подключена куправляющему электроду тиристора, который через стабилитрон и резистор присоединен к плюсу выпрямителя, резистор идиод, а первичная обмотка трансформаторавыполнена со средней точкой, причем, резистор включен между общей тачкой соединенйя первого резистора и конденсатора иминусомвыпрямителя, а между общей точкой сбединенйя" управляемого ключа сосредней тоЧкой первичной обмотки трансформатора и средней точкой источника питания генератора прямоугольныхколебаний включен диод.Известному устройству присущи невысокое значение коэффициента полезногодействия, увеличенные масса и габариты,низкая крутизна среднего фронта импульсауправления, Невысокое значение коэффициента полезного действия обусловлено наличием в устройстве значительныхэлектрических потерь мощности и энергии,рассеиваемой в виде тепловой энергии на.стабилитроне (при протекании тока управления через стабилитрон), Потери энергииувеличиваются пропорционально продол жительности времени наличияуправляющего импульса и составляют значительную величину для устройства управления тиристорами или транзисторамиавтономных инверторов, требующих, какправило, длительных импульсов управле, ния. Увеличенные масса и габариты известкого устройства определяются наличием в, нем большого металлического .охладителя(на котором устанавливается упомянутыйстабилитрон), предназначенного для теплоОтвода энергии, выделяемой в стабилитроне,Низкая крутизна переднего фронта импульса управления обусловлена влияниемпровалов выпрямленного напряжения на510 провала выпрямленного напряжения необ ходимо сформировать передний фронт выходного импульса управления, то в 25 30 35 40 45 50 55 выходе мостового выпрямителя на крутизну переднего фронта формируемого импульса. Провалы выпрямленного напряжения объясняются неидеальностью(отличием от прямоугольности) фронтов выходного сигнала генератора прямоугольных колебаний из-за наличия реального времени включения ключей генератора и фактической неидеально- стью (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 тиристоров 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 .заднегб 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 первйчной обмоткой трансформатора непосредст5 10 15 20 го сигнала 25 30 35 40 45 50 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 сое10 15 20 25 30 35 40 45 50 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 управляющего 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 выпрямителя 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. Одновременночерез 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 10-50 ОД) 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 выходной1767643 10 Составитель А,ВолковТехред М,Моргентал Корректор Н,Кешеля Редактор А.Купрякова Заказ 3556 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, 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.