Устройство для управления силовым транзистором

(51)5 Н 02 М 1 0 САНИ БРЕТЕ К АВТОРСКОМ ЕТЕЛЬСТВ УДАРСТВЕННЫЙ КОМИТИЭОБРЕТЕКИЯМ И ОТНРЫТИП 4 НТ СССР(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯСИЛОВЪМ ТРАНЗИСТОРОМ(57) Изобретение Относится к импульснойтехнике н может быть использовано при раэ 2работке вторичнык йсточников питания переключаемого типа. Целью изобретения является повышение надежности прн рас. ширении диапазона рабочих импульсов по длительности, При отпирании ключа 8 конденсатор 6 разряжается на обмотку 2 э транс. форматора, что приводит к отпиранию тран. зистора 1. Транзистор 1 поддерживается в открытом состоянии за счет протекания тока через обмотку 2 ь После запирания транзистораэнергия размагничивания трансформатора заряжает конденсаторы б и 9 через диоды 7 н 11. Транзистор 5 при этом шунтирует управляющий переход транэис. тора . 3 з. п. ф лы, 3 нл.Изобретение относится к импульсной тех.нике и может быть использовано при раз.работке вторичных источников питания (ВИП) переключательного типа.Известно устройство для уЬ ра влен и я силовым транзистором в статическом преобразователе, которое функционирует с мини.мальным потреблением энергии.Однако в силу принципиальных особенностей схемного решения применение этого устройства ограничено авухтактными преоб.разователями, в которых два силовых ключа управляются от общего трансформатора, причем коммутация ключей осуществляется закорачиванием двух обмоток этого трансформатора. Другой недостаток известного устройства связан с необходимостью для начального запуска формировать специальный запускающий импульс с помощью внешнего источника энергии (блок 51). Кроме того, нз-за недостаточной надежности переключения при значении скважностн Я иного более 4, воэможности регулирования (по диапазону нагрузок н входных напряжений) , существенно ограничены.Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предла. гаемому является устройство для управления силовым транзистором импульсного преобразователя напряжения, содержащее трансформатор тока, имеющий дополни. тельную обмотку, накопительный конденса. тор с узлом подзаряда от источника постоян. ного напряжения, подключенный через вы. прямнтельный диод к первому выводу вторичной обмотки трансформатора тока, уп. равляющий ключ, в цепь которого последо. вательно включена допдлнительная обмотка этого тра нсформатора, блокирующий тра н. зистор и вольтоограннчительный элемент.Накопительный конденсатор зашунтирован последовательной цепочкой из допол. ннтельной обмотки трансформатора тока и управляющего ключа. Через эту же цепоч. ку первый вывод вольтоограничительного элемеНта соединен с вторым выводом вто. рнчной обмотки трансформатора тока, его второй вывод соединен. с базой блокирую. щего транзистора, Второй вывод вторичной обмоткн трансформатора тока, второй вывод накопительного конденсатора н коллектор блокирующего транзистора соединены с базой силового транзистора. Эмиттер блоки. рующего транзистора соединен с эмиттером силового транзистора, а нх общая точка соединена с первым выводом вторичной об. мотки.Это устройство обеспечивает достаточно высокую надежность в релейных режимах регулирования, т. е. при постоянной илн близкой к постоянной длительности рабочего импульса. Однако в преобразователях с ШИМ.структурой регулирования, т. е. прп веременной длительности рабочего импуль.а, это устройство управления может при. вести к ложным срабатываниям силовоготранзистора. Лействитсльно, прн уменьне.нин длительности рабочего импульса 1 уро.вень напряжения накопительного конден.сатора может оказаться ниже пороговогонапряжения вольтоограяичительного эле.мента, в результате чего база.коллекторныйпереход блокирующего транзистора осганется закрытым. В результате отсутствия10 блокировки появляется возможность повторного (ложного) срабатывания силовогоключа, например из-за коммутационныхпомех после закрывания силового транзис.тора,15Цель изобретения - повышение падеж.ности управления при расширении диапазона рабочих импульсов по длнтельнос 1 и -достигается тем, что в устройство управле-нияя силовым транзистором, содержа цеетрансформатор тока, первичная обмотка20 которого предназначена для последователь.ного включения в силовую цепь силовоготранзистора, для подключения к базе кото.рого предназначены первые выводы вторнч.ной н дополнительной обмоток трансформа.тора тока, второй вывод дополнительнойобмотки трансформатора тока соединен спервым выводом управляющего ключа, вто.рой вывод которого соединен с первым выводом первого узла подзаряаа, второй выводкоторого соединенс первым выводом второгоЭО узла поазаряда, второй вывод которого предназначен для подключения к первому выводуисточника напряжения, для подключенияк второму выводу которого предназначенпервый вывод накопительного конденсатора,второй вывод которого соединен с первымЭ выводом первого выпрямительного анода,второй вывод которого соединен с вторымвыводом вторичной обмотки трансформатора тока, первый вывод которой соединенс первым выводом накопительного конлен 40 с втор а н коллектором блокирующего тра н.зистора, введены токоограничнтельный элемент; блокирующий конденсатор, второйвыпрямнтельный диод, запирающий диоди компенсирующий диод, второй вывод которого предназначен для подключения к эмит.46 теру силового транзистора, а первый выводсоединен с вторыми выводами первого н вто.рого выпрямнтельных диодов и первым вы.водом запирающего диода, второй вывод, которого соединен с эмиттером блокнрующе.го транзистора, база которого соединенас первым выводом токоограничнтельногоэлемента, второй вывод которого соединенс первым выводом второго выпрячительпюгодиода и первымвыводом блокирующегоконденсатора. второй вывод которого соедн 55 нен с первым выводоМ первого узла поа.заряда.В качестве токоограннчительного эле.мента может быть использован резистор.Для обеспечения независимости параметровсхемы от входного напряжения силовоготрдн исторд токгогрдничител.сый элемент сссдолсястс я нд генераторе токд с сдлдкнпнч ре истором.В варианте выполнения т окоограснчи. тельного элемента на генератре гока в него может быть введен лиод отсечки, первый вывод которого соединен с первым выводом второго выпрямительного лиола, а второй вывод - с коллектором блокирюцего трзн. зистора.На фиг. 1 привелена электрическая схема устройства управления в варианте выпол. нения токоограничительного элемента на резисторе; на фиг. 2 - то же, на генераторе тока; на фиг. 3 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства, гле обозна. чения в скобках даны лля схемы по фиг. 2.Устройство управления транзисторным ключом 1 (фиг. 1) содержит трансформатор 2 тока, первичная обмотка 2.1 которого включена в силовую цепь ключа 1, а вторич. ная обмотка 2.2 одним выводом подключена через компенсирующий лиод 3 к эмиттеру силового ключа 1, а через ззпирдкщий ли. од 4 - к эмиттеру блокнруюцего транзистора 5 устройства. Первый вывод обмотки 2.2 соединен с базой транзистора 1. Нако. пительный конденсатор 6 первым выволом соединен через выпрямительный диод 7 с вто. рым выволоч обмотки 2.2, з вторым - сбазой транзистора 1, Вторичная обмотка 2.2 и выпрямительный лнод 7 образуют первый узел ползарядз. Конденсатор 6 зашунтиро. ван цепью из последовательно соединенных ) правляощего ключа 8 с дополнительной обмоткой 23 (в привеленноч варианте реализации обмотка 2.3 показана со стороны связи конденсатора 6 с базой силового тран. зисторз 1). С трыч выводом накопитель. ного конде.сато)д 6 снязан блокирующий конленсатор 9, другой вывод которого через токоограсич)тельссй резистор 1 О соединен с базой бл жирующего транзистора 5 и через выпрямительный диод 1 с вторыч выводом обмотки 2.2 Коллектор блокируюцего транзистора 5 плключен к базс силового тран. зистора 1 Узел 2 подздряла предназначен л ля подп:тки и д копител ьнос о кодесато. ра 6 и нуже в основноч для первого пуска ключа 8 после включения устройстваВ схеме, показанной нд фиг 2, токкгрз. ни чител ьны й элечент 10 выпслс и на генераторе тока (с редлизасией нд транзисторе с лиолоч подпора н базовой испи) и здлдю. сцеч резистореГ 1 ун ктироч нд обси х с хсчдгкд. сны элементы форсирсдания скгксся - кон. денсатор 13 (и нтнруюий и ск злсчест О - конденсатор 9) и )ксср 14 (нкгк ченный в есь )рдвликисс клкча 8 со стороны влпрячтслс,си л.с н)Устройствои р;сгс иии с 1 ссг.нпнс и по фнг 2 можс т лоплингли слсркдт, диод 15 отсефскн, к,к и нцйклу вход ным вывд:м р зги трд г 1,нфст.ь.10 15 20 2 Г 30 35 40 45 50 % нго э,и чс нта 1 О и бдзй сн стсссо трипи. тора 1, з тдкже сессь полнитки, обра;н нуо резистордчп6, 17, сия дннцчи с с т с. ником постоянного ндпряж нин (, ссл ные выводы которых плселнсны в бло. кс 1 О к вхолночу выволу здлдкнцсго резне. тора и к обцц й точке лнола подпора с транзистором (показано пунктиром).Узел 12 подзаряла предназначен лля подпитки накопительного конленсаторз 6 и нужен в основном для первого пуска клю ча 8 после включения устройства. В приве. ленной на схеме реализации он содержит конденсатор в послеловзтелысом соединении с резистором и лиол, подключаюпсвй нх об. щую точку к второму еыволу конденсатора 6. В простейшем случае он может быть реали. зован только на резистореВ качестве управляющего ключа 8 может быть использован триггерный ключ на комплементарных транзисторах, управляемый оптроном, либо блокннг-генердтор с оптрон. ным илн трансформаторным запуском.Емкость конленсатора 9 выбирается в несколько раз меньше ечкости конденсатора 6 (например, на порядок).Устройство работает следующим об разомЗапуск транзистора 1 осуществляется кратковременным замыканием управляюще. го ключа 8. Прн этом конленсатор 6 разря. ждется (эпюра 0 на фиг. 3) через дополнительную обмотку 2.3 до величины Р , (О, - сумма падений напряжений на об. мотке 2.3 н нв открытом ключе 8). Импульс тока поступает в эмсттернчю цепь силового транзистора 1 (эпюра 1) с одновременным снятием блокировки. Блокируюций транзис. тор 5 заперт при отсутствии базового тока (эпюраЧ).При аличии форсирчющих элементов 13 и 4 задается длительность запускакцего импульса (т= Й)4 С 6) и обеспечивается фор. сированное запирание транзистора 5 при запуске силового ключа. Палее открытое сстояние ключа 1 поддерживается за счет положительной токовой обратной связи (об. мтка 2.1). Длительнос п включенного со. стояния 1 силового клкчзограничивается в силовой цепи изеестнычи метоламн.После выключения (фиг. 3.1, момент 1) силового транзисторав реультате спада тока в его силовой цепи пзпряжсние на об мотке 2.2. меняет зндк, открывая вцпрячи. тельные диоды 7 и1, и эссрсся рдзчагни. чивзния трансформатора 2 заряжает кон. ленсаторы 6 и 9 (фиг. 3, 11, 11).После заряла конлесссатора 9 ло напря.жения открытого база.коллектнго пере.хглд транзистора 5 (по фиг 2 лдпряження лнух переходов: база.эчитт ерцн тра нзис.тора и диолный элемептд 1) ткрыяается трднзистор 5. Ток через липс 11 рдзветв.ляется; частью замыкается чсре токоогра.ничительный элечсст 1( нд нтрой конецобмотки 2.2, а частью продолжает идти на заряд конденсатора 9.Ииверсночу включению транзистора 5(иосле иояплсиня тока в его базе) препятст вует днол 4. Это приводит к тому, что ток размагничивания трансформатора 2 не шунтируется эмиттер.коллекторным переходом транзистора 5, а протекает до по.чного спа.дания в ноль, заряжая конденсаторы 6 и 9 через диоды 7 и 1. Таким образом, энергия размагничивания используется полностью лля последующего запуска силового транзистора 1.В паузах между срабатываниями силового транзистора происходит разряд конденсатора 9 током базы транзистора 5 (на фиг. 2 эмиттерным током транзистора эле.мента 1 О, т. е также током базы транзистора 5). Это обеспечивает блокирование база.эмиттерного перехода силового транзистора 1 открытым эмиттер.коллекторным переходом транзистора 5./Наличие блокирующего конде(зсатора 9(в последовательном включении с конденсатором 6) позволяет разделйть процессы накопления энергии (в конденсаторе 6) для последующего запуска силового транзистора 1 и получения энергии (от конденсатора 9) для создания и поддержания его блокировки, Это предотвращает ложные сраба.тывания силового транзистора 1 от импульс.ных помех при перекоммутациях тока в силовых цепях преобразователя.В варианте выполнения токоограничи.тельного элемента 1 О по фиг. 2 схема приоб.ретает дополнительные преимущества: онаменее критична к выбору параметров и режимов работы.Для надежной работы блокирующеготранзистора 5 (фиг. 1) (блокировання сило.вого транзистора 1 во время паузы и заии.рания на время рабочего импульса 1) пере.пад напряжения на базе транзистора 5 (ЛЦ) должен превышать напряжение база.эмиттерногоперехода силового транзистора 4,). 0, в зависимости от тока нагрузки (тока силового транзистора 1) равно 1 - ;3 В.Выражение для перепада напряжения иа базе транзистора 5 (фиг, 1) имеет видстЦ,."+аЯ еР 11где Ц, - падение напряжения на днодномпереходе;- длительность паузы;т - постоянная времени разряда конденсатора 9, равная - Р 10 С 9;а з 11 - напряжение на первом выводенакопительного конденсатора 6 (после окончания заряда током размагничивания).По ана,чогии для варианта по фиг. 2 вы.ражение для перехода напряжения на эмнт.тере транзистора эчемента 10 запишется, какМI- 2 Ц, е -1 аф.11 - еЪ ) - 14 ср, 45 формула изобретения 1. Устройство для управления силовым транзистором, содержащее трансформатор гока, первичная обмотка которого прелиа. значена для последовательного включения в силовую цепь силового транзистора, для подключения к базе которого предназначены первые выволы дополнительной н вторичной обмоток трансформатора тока, второй вывод дополнительной обмотки трансформатора тока соединен с первым выводом управляю. щего ключа, второй вывод которого соединен с первым выводом первого узла иодзаряла, второй вывол которого соединен с иервыч выводом второго узла ползаряла, второй вывод которого ирелназиан н для иодклюн. 50 65 Для належ ной работы б.чокирукпщегоз ранзистора (належ ного запирання тран.знстора элемента 10 во время рабочего нм.пульса и отпирания его во время паузы) 5 достаточно выполнения условия: Л/ )0,6 В,При наличии элемента 16, Сl. подпитки(стабилизирующих напряжение базы транзистора элемента 10) достаточно величины Л/ =0,3 В.Очевидно, что это условие может бытьобеспечено для всех режимов работы и пара.метров элементов устройства.В рассматриваемой схеме отрицательныйпотенциал, форсированно запираюинй транзистор элемента 10 н блокирующий тран.эистор 5, может быть зафиксирован диодом 15 отсечки на уровне минус одного диод.ного перехода, и тогда изменяется толькЬ эа счет тока подпитки прн наличии цепи резистор 17 - Опт; обеспечивающей дополни тельную защиту от внешних помех междусрабатываниями силового транзистора . 1.Ток подпитки задается достаточно малым - - из условия, что потенциал в точке соединения блокирующего конденсатора 9 н задающего резистора элемента 10 за время самого длительного импульса 1, не должен превышать потенциал открывания база.эмиттерного перехола транзистора и диода токо.ограничительного элемента 10, т. е. потенциала плюс двух диодных переходов.ЭО Таким образом, предлагаемое устройствообеспечивает надежное управление не толь.ко при использовании в схемах с релейным регулированием, но и в схемах с переменной длительностью рабочего импульса (напри.мер, в преобразователях с широтно-импульс.35 ным регулированием) при сохранении всехдругих преимуществ по диапазону входных напряжения и нагрузок, массогабарнтных показателей. Кроме того, имеется возмож.Ность получения гибкой (по отношению 40 к параметрам) структуры - не гребует осо.бого подбора ни элементов, ни режимов при построении самого устройства управления и нет зависимости их от входного напряжения силового транзистора./б17ьФиг 2 иия к первому выводу источника напряжения, для подключения к второму выводу которого предназначен первый вывод накопительного конденсатора, второй вывод которого соедн. нен с первым выводом первого выпрямнтельного диода, второй вывод которого соединен с вторым выводом вторичной обмотки транс. форматора тока, первый вывод которой соединен с первым выводом накопительного конденсатора н коллектором блокирующего 10 транзистора, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности прн расширении диапазона рабочих импульсов по длительности, введены токоограничительный элемент, блокирующий конденсатор, второй выпрямительный диод, запирающий диод и компенсирующий диод, первый вывод которого предназначен для подключения к эмит. теру силового транзистора, а второй вывод соединен с вторым выводом первого н первым выводом второго выпрямительных дио дов и первым выводом запирающего диода второй вывод которого соединен с эмнттером блокирующего транзистора, баэа которого соединена с первым выводом токоогранн. чительного элемента, второй вывод которого соединен с вторым выводом второго выпря. мительного диода и первым выводом блоки. рующего конденсатора, второй вывод кото. рого соединен с первым выводом первого узла подзаряда.2. Устройство по и. . отличающееся тем, что токоограничительный элемент выполнен и виде резистора.3. Устройство по п. 1, отличающееся тем.что токоограинчительный элемент вйпблнИГ в виде стабилизатора тока.4. Устройство по и. 3. отличающееся тем, что в него вверен диод отсечки, включенный между вторым выводом второго выпрями. тельного диода и коллектором блокирующего транзистора.. Сзм 15 орска Редактор В. ЛвнкоЗаказ г ХгНИИГ 1 И Государстве1 ЗОЗПроизводственно нз Состввнтель Э. КрТетрел А. КравчукТираж нного комитета по иэобретения 5, Москва, Ж - ЗЬ, Рву шска ательский комбинат кПатент ,енкоКорректорПодписноен открытиянвб., д. 4Ужгород,м прн ГКНТ ССГ5л. Гагарина,О