Транзисторный ключ

Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик ОП ИКАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ и 951609(51) М. Кл.Н 02 М 7/537 Н 03 К 17/60 еаудврстванный камнтет ЕЕЕР по делам нэабретвннй н открытий(72) Автор изобретения Б, А, Глебов Московский ордена Ленина энергетический пнституг "(54) трлнзистсРный ключ 1Изобретение относится к электротех-нике, в частности к силовой преобразовательной технике.Известен транзисторный ключ, содержаший силовой транзистор, последователь 5 но с которым и источником питания включена нагрузка емкпстного характера и обмотка дросселя, причем соединенные последовательно нагрузка и обмотка дросселя шунтированы коммутирующим диодом ХНедостаток данного устройства - значительные коммутационные потери, возникающие при запирании силового транзистора из-за быстрого нарастания напряже ния на обмотке дросселя.Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является транзисторный ключ, содержащий силовой транзистор, включенный последовательно 20 с нагрузкой емкостного характера и источником питания, подключенный управляюшим электродом к первому выходу блока управления, коммутируюшую цепь,состоящую из дополнительного транзистора,. соединенного первым электродом,общим для его входной и выходной цепей, с таким же первым электродом силового транзистора, а унравляюшпм электродом - со вторым выходом блока управления, а также из дросселя, первичнаяобмотка которого концом соединена совторым электродом вь 1 ходной цепи дополнительного транзистора2 Недостатки известного устройства заютючаютсяв значительных коммутационных потерях и низкой надежности, что обусловлено быстрым нарастанием напряжения на дополнительном транзисторе при запирании из-за возникновения ЭДС само- индукции па обмотке дросселя, включен - ной последовательно с выходной цепью дополнительного транзистора.Целью изобретения является уменьшение динамических потерь и повышение надежности путем улучшчп 1 я условий запирания дополнительного транзпстора.3 9516Пос гавленная цель достигается тем, что в транзисторный ключ, содержащий силовой транзистор, включеннъ 1 й последовательно с нагрузкой емкостного характера и источником питания, подключенный управляющим электродом к первому выходу блока управления, коммутирующую цепь, состоящую иэ дополнитель ного транзистора, соединенного первым алектродом, общим для его входной и 10 выходной цепей, с таким же первым алек тродом силового транзистора, а управля ющим электродом - со вторым выходом блока управления, а также из дросселя, первичны обмотка которого концом со единена со вторым электродом выходной цепи дополнительного фтранзистора, а началом через первый диод - с концом вторичной обмотки дросселя, введены демпфируюший конденсаторвключенный 20 между объединенными первыми электродами силового и дополнительного транзисторов и началом первичной обмотки дросселя, второй диод, включенный между началом первичной обмотки дросселя и вто рым электродом выходной цепи силового транзистора, соединенным с первым выводом нагрузки, причем первый и второй диоды соединены одноименными электродами, третий диод, шунтирующий входную 30 цепь дополнительного транзистора, и четвертый диод, включенный между первым зажимом источника питания, с которым соединен второй вывод нагрузки, и концом первичной или вторичной обмотки дросселя причем полярность включения четвертого диода - встречная по отношению к источнику питания, объединенные первые электроды силового и дополнительного транзисторов соединены со вторым эажи мом источника питания, а начало вторичной обмотки дросселя связано с управляющим электродом дополнительного транзистора.Причем связь начала вторичной обмотки дросселя с управляющим электродом дополнительного транзистора осушествле 4на через реэистивно-диодную цепь, причем указанная цепь и соединенная с ней последовательно входная цепь дополнительного транзистора шунтированы дополнительным конденсатором. На фиг. 1 и 2 представлены принципиальные схемы вариантов выполнения транзисторного ключа.55Схемы содержат первый и второй зажимы источника питания 1 и 2, силовой транзистор 3; нагрузку 4; блок 09 45 управления, дополнительный транзистор 6, первичную обмотку 7. дросселя8, вторичную обмотку 9 дросселя 8, первый диод 10, демпфируюший конденсатор11, второй диод 12, третий диод 13,четвертый диод 14.В схеме на фиг. 2 обозначены позициями 15 и 16 резистор и диод резистивно-диодной пепи, а дополнительный конденсатор - позицией 1 7.В схемах на фиг. 1 и 2 между первыми вторым зажимами 1 и 2 источника питания включены соединенные последовательно силовой транзистор 3 и нагрузка4 емкостного характера, причем первыйэлектрод силового транзистора 3, общийдля его входной и выходной цепей, соединен со вторым зажимом 2 источникапитания, второй электрод выходнойцепи силового ключа соединен с первымвыводом нагрузки 4, а второй выводее соединен с первым зажимом источникйпитания, Управляющий электрод силовоготранзистора 3 соединен с первым выходом блока управления 5,Дополнительный транзистор 6 первымэлектродом, Общим для его выходной ивходной цепей, соединен со вторым зажимом 2 источника питания. Второй электрод выходной цепи дополнительного транзистора 6 соединен с концом первичнойобмотки 7 дросселя 8, имеющего вторичную обмотку 9, Между концом вторичнойобмотки 9 и началом первичной обмотки7 включен первый диод 10 соединенныйкатодом с началом первичной обмотки 7.Начало первичной обмотки 7, кроме того, через демпфирующий конденсатор 11соединено с первыми электродами силового и дополнительного транзисторов 3и 6 и через второй диод 12 - со вторымэлектродом выходной цепи силового тран-зистора 3, причем к началу первичнойобмотки 7 дросселя 8 подключен катод,второго диода 12, Управляющий электрод дополнительного транзистора 6 соединен со вторым выходом блока управления 5, а управляющая входная цепьдополнительного, транзистора 6 шунтиро.вана третьим диодом 13.В схеме на фиг. 1 между первымзажимом 1 источника питания и концомпервичной Обмотки 7 включен четвертыйдиод 14 (катодом соединенный с первымзажимом источника питания), а началовторичной обмотки 9 дросселя 8 непосредственно подключено к управляющему алектроду дополнительного транзистора 6.5 951В схеме на фнг, 2 между первым за-, жимом 1 источника питания и концом вторичной обмотки 9 включен четвертый диод 14, соединенный с первым зажимом 1 катодом, в начало этой обмотки свя зано с управляющим электродом дополнительного транзистора 6 через реэистивно-диодную цепь, образованную соединенными последовательно резистором 15 и диодом 16, Соединенные последовательно резистивно-диодная цепь 15-16 и входйая цепь дополнительного транзистора 6 шунтированы дополнительным конденсатором 17.Принцип действия транзисторного клю-5 чв одинаков для схем, представленный на фиг. 1 и 2, и состоит в следующем.Устройство управления 5 отпирает вначале дополнительный транзистор 6. К моменту отпирания заряжен демпфируюший 20 конденсатор 11. Поэтому, когда при отпирании дополнительного транзистора 6, потенциал нв конце обмотки 7 понижается до нуля, к этой первичной обмотке дросселя 8 прикладывается скачком на пряжение. Ток первичной обмотки, являющийся током также и дополнительного транзистора 6, нарастает плавно. Скорость нарастания этого тока ограничена индуктивностью первичной обмотки 7 дросселя Зо 8, Ток обмотки дросселя содержит два слагаемых, Первое является током разряда демпфирующего конденсатора 11, второе - током нагрузки 4 емкостного характера. С течением времени ток первичной обмотки дросселя 8 увеличивается, а напряжение на силовом транзисторе 3 уменьшается, Когда это уменьшение достигнет некоторого звдвнногоцредела, и разность потенциалов между первым и 40 вторым электродами силового транзистора 3 станет близкой к нулю, блок управления 5 формирует отпирающий сигнал силового транзистора 3 и прекращает формирование отпираюшего сигнала дополнительного транзистора 6. Прекращение отпирающего сигнала на , управляющем электроде дополнительного транзистора 6 вызывает через некоторое время, определяемое инерционнос гью этого транзистора, уменьшение тока его выходной цепи, т.е, уменьшение тока первичной обмотки 7 дросселя 8. Это, в свою очередь, вызывает появление ЭДС само 55 индукции на обмотках дросселя 8, в результате чего отпирается первый диод 10 и по вторичной обмотке 9 начинает протекать ток, который возрастает по 800 6мере уменьшения тока через дополнительный транзистор 6. Ток вторичнбй обмотки 9, поступающий во входную цепь дополнигельного транзистора 6, создает запирающее смещение нв управляющем электроде дополнительного транзистора, что способствует ускорению процесса его запирвния и снижению коммутационных потерь в нем. Снижению коммутационных потерь способствует также присутствие демпфирующего конденсатора 11, заряжвемого током вторичной обмотки 9, В процессе заряда плавно нарастает напряжение на конденсаторе и на обмотках дросселя, а также на запирающемся дополнительном транзисторе 6.Заряд демпфируюшего конденсатора 11 происходит зв счет энергии, накопленной в дросселе 8 за время, пока дополнительный транзистор 6 был в состоянии высокой проводимости, Рост напряжения на демпфируюшем конденсаторе 11 и передача энергии иэ дросселя 8 в этот конденсатор прекращается в момент отпирания четвертого диода 14. С этого момента накопленная в дросселе энергия возвращается в источник питания, что обусловлено протеканием тока через четвертый диод 14 навстречу ЭРС источника питания.Отпирание силового транзистора 3 происходит при малом значении напряжения между электродами его выходной цепи, т,е. с небольшими потерями. Потери энергии в выходной цепи дополнительного транзистора 6 практически отсутствуют при отпирании, поскольку скорость нарастания тока этого транзистора ограничивается индуктивностью первичной обмотки 7 и дросселя. 8.Малость потерь энергии при звлирании дополнительного транзистора 6 обусловле на, во-первых, форсированием процесса звпирвния током вторичной обмотки 9 дросселя 8 и, во-вторых, исскуственным снижением скорости нарастания напряжения на дополнительном транзисторе 6, Этими же факторами обусловлено повышение надежности устройства в сравнении с прототипом. Схема на фиг, 1 предназначена для использования в случаях, когда характер нагрузки 4 таков,что нв силовом транзисторе 3 не может возникать напряжение, превышающее напряжение источника питания (например, при актив-. но-емкостном характере нагрузки 4). Без изменения принципа действия этой609 7 951схемы первый диод 10 может быть включен между цвч 1 лом вторичной обмотки9 дросселя 8и управляющим элек -. тродом дополнительного транзистора 6,а начало первичной обмотки 7 и конец вторичной обмотки 9 объединены,Схема ца фиг. 2 предцазнвченв дляиспользования в случаях, когда характер нагрузки 4 таков, что на силовомтранзисторе 3 может возникать цвпряже - 10ние, превышающее напряжение источника питания (например, если нагрузка 4имеет активно-индуктивный характер ишунтирована конденсатором), В этомслучае первый диод 10 выполняет роль 15блокирующего.Дополнительное повышение надежности обеспечивается в схеме на фиг. 2 засчет применения цепей, содержащихэлементы 1 5, 1 6 и 1 7. Сущность их 20действия состоит в том, что за времявывода энергии из дросселя 8 дополнителт ный конденсатор 17 заряжается, иток разряда конденсатора обеспечиваетзапирающее сме 1 цецие на дополнительном 25транзисторе после вывода энергии из магнитного реактора, Диод 16 предотвращает шунтирование входной цепи дополни-тельного транзистора соединенными последовательно резистором 15 и дополнитель- З 0нгям конденсатором 17 по отношению ксигналу со второго выхода блока управдепия 5. 351" ормулв изобретения 1. Транзисторный ключ, содержащий силовой транзистор, включенный последовательно с нагрузкой емкостного характера и источником питания, подключенный управляющим электродом к первому выходу блока управления, коммутирующую пель, состоящую из дополнительного транзистора, соединенного первым электродом, общим ддя его входной и выходной цепей, с таким же первым электродом силового транзистора, в управляющим электродом - со вторым выходом блока управления, о. также из дросселя, первичная об 50 мотка которого концом соединена со вторвям электродом выходной цепи дополни -тельного транзистора, в началом через первый диод - с концом вторичной обмотки дросселя, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,сцед.:- "уменьшения динамических потерь и по/вышения надежности путем улучшения условий. звпирания дополнительного транзистора, в него введены демпфирующий конденсатор, включенный между объединенными первыми электродами силового и дополнительного транзисторов и началом первичной обмотки дросселя, второй диод, включенный между началом первичной обмотки дросселя и вторым электродом выходной цепи силового транзистора, соединенным с первым выводом нагрузки, при.ем первый и второй диоды подключены к началу первичной обмотки одноименными электродами, третий диод, шунтирующий входную цепь дополнительного транзистора, и четвертый диод, включенный между первым зажимом источника питания, с которым соединен второй вывод нагрузки, и концом первичной или вторичной обмотки дросселя, причем полярность включения четвертого диода - 1встречная по отношению к источнику питания, объединенные первые электроды силового и дополнительного транзисторов соединены со вторым зажимом источника питания, а начало вторичной обмотки дросселя связано с управляющим электродом дополнительного транзистора,2. Устройство по п.1, о т л и ч а - ю ш е е с я тем, что связь начала вторичной обмотки дросселя с управляющим электродом дополнительного транзистора осуществлена через резистивно-диодную цепь, причем указанная цепь и соединен. ная с ней последовательно входная цепь дополнительного транзистора шунтированы дополнительным конденсатором. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Моин В. С., Лаптев Н. Н, Стабилизированные транзйсторные преобразователи. М., фЭнергия, 1972, с, 346, рис, 9-18 г.2. Авторское свидетельство СССР % 729572, кл. Н 05 М 1/56, 1977.9 М 609 М, Шарош 721 Подписнорственного комитета СССРобретений и открытийЖ, Раушская наб д. 4 Заказ 5968/71 ВТираж ИПИ Госуд о делам из 5, Москва,лиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектны,Составитель Н ЦишевскаяРедактор Л, Долинич Техред Т,Маточка Корре