Устройство для управления мощным высоковольтным транзисторным ключом

 

Сущность изобретения: устройство содержит высЬковЬльтны0 транзиетор (1), коллектор kOTOpdrp соединен с; первой входной клеммой (2) и первым выводом делителя на-, пряжения (3), образованного резистбраШ (4 и 5), эмиттер соединен с коллектором мощного высб(фчастотHtihji упраёляйщего транзистрра (6), первым выводом резистора ;-- Ш -Гf : w -;::; -

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 02 М 1/08

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4798609/07 (22) 05.03.90 (46) 30,01.93. Бюл. M 4 (71) Специальное конструкторско-технологическое бюро прецизионного оборудования "Вектор" (72) Г.Ю.Иванов (56) 1. Авторское свидетельство СССР

М 1259399, кл. Н 02 Н 7/10, 1985.

2, Авторское свидетельство СССР

М 1343515, кл, Н 02 М1/08, 1985

Я2,» 1791926 А1 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ

МОЩНЫМ ВЫСОКОВОЛЬТНЫМ ТРАНЗИCTOPH6tM КЛЮЧОМ (57) Сущность изобретения: устройство содержитт высоковольтный транзистор (1), коллектор которого соединен с первой входной клеммой (2) и первым выводом делителя на-. пряжения (3), образованного резисторами (4 и 5), эмиттер соединен с коллектором мощного высокочастотного управляющего транзистора (6), первым выводом резистора

1791926

10

35 (7), второй вывод которого соединен с анодами диодов (8 и 9), базой транзистора (10) и первым выводом резистора (11), катодом диода (9), база соединена с параллельно соединенными диодом (12) и резистором (13) и первым выводом резистора (14), второй вывод которого соединен с катодом диода (15), анод которого соединен с клеммой (16) источника питания и первым выводом рези, стора (17), второй вывод которого соединен с положительной Обкладкой конденсатора (18), катодом стабилитрона (19) и первым выводом резистора (20), второй вывод которого соединен с эмиттером транзистора (10) и катодом диода (8), Катод диода (12) и второй вывод резистора (13) соединен с положительной обкладкой конденсатора (21), Изобретение относится к электротехни, ке и может быть использовано в преобразователях, регуляторах напряжения (тока, ключевых усилителях мощности), Известно устройство для защиты от перегрузок выходного силового транзистора импульсного усилителя, включенного по схеме с общим эмиттером, содержащее три входные клеммы, причем первая клемма через первый резистор соединена с базой выходного транзистора, которая соединена через второй резистор с первой обкладкой первого конденсатора и через третий резистор с коллектором первого вспомогательного транзистора, эмиттер которого соединен со второй обкладкой первого конденсатора и через четвертый резистор со второй входной клеммой, база первого вспомогательного транзистора соединена через пятый резистор с коллектором выходного транзистора и через шестой резистор с третьей входной клеммой.

В данном. устройстве контролируется изменение тока транзистора во время нахождения в активном режиме, и защита осуществляется,в момент появления в токе коллектора максимума, вызываемого локализацией тока в кристалле, что повышает надежность защиты выходного силового транзистора, .,Однако недостатком известного устройства является то, что при поступлении на вторую входную клемму импульса напряжения выходной транзистор открывается током конденсатора, который разряжаясь через третий резистор с постоянной времени RC будет поддерживать выходной транзистор в проводящем состоянии до полного отрицательный вывод которого соединен с нулевой клеммой (22), которая одновременно является выходом ключа и с которой соединены анод стабилитрона (19), эмиттер транзистора (6), второй вывод делителя (3) и первый вход (23) генератора импульсов (24), первый выход которого (25) соединен со вторым выводом резистора (11), второй выход (26) — с базой транзистора (6) и эмиттером транзистора (10), второй вход (27) — с выходом делителя (3). Генератора управляющих импульсов (24) соединен также с положительным (16) и отрицательным (28) выводами источника питания, Вывод (29) генератора управляющих импульсов предназначен для подачи импульсов управления на ключ, 2 ил. разряда конденсатора. При высоком питающем напряжении на коллекторе выходного транзистора и коротком замыкании нагрузки времени разряда конденсатора будет достаточно для того, чтобы ток через транзистор нарос выше критического и выходной транзистор из режима насыщения вышел в активный режим, что приведет к резкому возрастанию напряжения коллектора выходного транзистора, его разогреву и возникновению вторичного пробоя. К тому же включение выходного транзистора по схеме с общим эмиттером в момент выключения транзистора при больших значениях тока может привести к возникновению вторичного пробоя.

Наиболее близким по технической сущности решением является устройство для управления мощным высоковольтным транзисторным ключом, содержащее мощный высоковольтный транзистор, коллектор которого подключен ко второй выходной клемме, база через параллельно соединенные диод и резистор к первому выводу конденсатора, второй вывод которого подключен к первой выходной клемме, эмиттер к коллектору мощного высокочастотного управляющего транзистора, эмиттер которого подключен к первой выходной клемме ключа, Генератор управляющих импульсов первым выводом подключен к первой выходной клемме ключа, а второй вывод через резистор соединен с базой управляющего транзистора и через диод и токоограничительный резистор с базой высоковольтного транзистора.

Данное устройство обеспечивает уменьшение времени рассасывания с 10 до

1791926

1-3 мкс, а следовательно, и уменьшение потерь энергии при выключении, повышенную устойчивость высоковольтного транзистора ко вторичному пробою по напряжению вплоть до Uyso. Форсированное включение высоковольтного транзистора осуществляется с использованием энергии, накопленной в конденсаторе на интервале рассасывания, что обеспечивает уменьшение мощности управления.

Недостатком этого устройства является отсутствие защиты от перегрузки по току и короткого замыкания в нагрузке, что может привести к превышению тока базы высоковольтнога транзистора s момент выключения допустимого значения и пробою его коллектор-базового перехода, Таким образом, целью изобретения является обеспечение защиты и повышение надежности, Поставленная цель достигается тем, что в устройство управления мощным высоко-, вольтным транзисторным ключом введены транзистор защиты, два дополнительных диода, три дополнительных резистора, делитель напряжения и дополнительный источник питания, так что эмиттер транзистора предназначен для подключения через первый дополнительный резистор к положительному выводу дополнительного источника питания и катоду первого дополнительного диода, база — к аноду второго дополнительного диода, аноду первого дополнительного диода, через второй дополнительный резистор к коллектору высокочастотного управляющего транзистора и через третий дополнительный резистор к первому выходу генератора управляющих импульсов, коллектор — к базе высокочастотного транзистора и второму выходу генератора управляющих импульсов, второй вход которого подключен к выходу делителя напряжения, катод второго дополнительного диода подключен к коллектору высокочастотного управляющего транзистора.

Предлагаемое устройство отличается от известных входящими в его состав элементами, а также видом связей между ним, т.е, часть существенных признаков предлагаемого устройства является новыми. по сравнению с прототипом и другими известными решениями, таким образом заявляемое решение соответствует критерию изобретения "новизна".

Свойством заявляемого решения, не совпадающим со свойствами известных технических решений, является надежная защита выходного силового транзистора, что обеспечивает устройству для управле5

10 дом стабилитрона 19 и первым выводом резистора 20, второй вывод ко;орого соеди35 нен с эмиттером транзистора 10 и катодом

50

30 ния мощным высоковольтным транзисторным ключом надежную работу.

Учитывая наличие новой совокупности отличительных признаков и нового свойства, можно сделать вывод о том, что заявляемое техническое решение обладает

"существенными отличиями" по сравнению с известными в науке и технике.

На фиг. 1 изображена функциональная электрическая схема устройства; на фиг, 2— эпюры напряжений, поясняющие работуустройства.

Устройство для уп равления мощным высоковольтным транзисторным ключом (фиг.

1) содержит высоковольтный транзистор 1, коллектор которого соединен с первой входной клеммой 2 и первым выводом делителя напряжения 3, образованного резисторами

4 и 5, эмиттер соединен с коллектором мощного высокочастотного управляющего транзистора 6, первым выводом резистора 7, второй вывод которого соединен с анодами диодов 8 и 9 и базой транзистора 10 и первым выводом резистора 11, катодом диода

9, база соединена с параллельно соединенными диодом 12 и резистором 13 и первым выводом резистора 14, второй вывод которого соединен с катодом диода 15, анод которого соединен с клеммой 16 источника питания и первым выводом резистора 17, второй вывод которого соединен с положительной обкладкой конденсатора 18, катодиода 8, Катод диода 12 и второй вывод резистора 13 соединены с положительчой обкладкой конденсатора 21, отрицательный вывод которого соединен с нулевой клеммой 22, которая одновременно является выходом ключа и с которой соединены анод стабилитрона 19, змиттер транзистора 6, второй вывод делителя 3 и первый вход 23 генератора управляющих импульсов 24, первый вход которого 25 соединен со вторым выводом резистора 11, второй выход 26 — с базой транзистора 6 и эмиттером транзистора 10, второй вход 27 — с выходом делителя 3. Генератор управляющих импульсов 24 соединен также с положительным 16 и отрицательным выводом 28 источника питания, Вывод 29 генератора управляющих импульсов предназначен для подачи импульсов управления на ключ.

Устройство работает следующим обра. эом.

В исходном состоянии транзисторы 1, 6 и 10 закрыты, с клеммы 26 генератора импульсов управления (ГИУ) 24 в базу транзи1791926 стора б поступает напряжение отрицательной полярности.

Нр» поступлении на клемму 29 ГИУ 12 импульса управления с базы транзистор" 6 снимается отрицательное напряжение, а на его клемме 25 формируется импульс напря>кения нулевого уровня, что приводит к протеканию тока базы,транзистора 10.

Открытый транзистор 10 пропускает базовый ток транзистора 6, что приводит к его отпиранию, Напряжение на коллектортранзистора 6 падает, что приводит к протеканию тока базы транзистора 1, ои открывается и через транзисторы 1 и 6 проходит ток нагрузки. Когда напряжение коллектора транзистора 1 падает- до 1/3 Е«л, формирование импульса на клемме 25 ГИУ

12 прекращается, Задер><ка по времени межцу импульсом управления и падением напряжения на коллекторе транзистора 1 составляет 1 — 2 мкс и .равна длительности импульса, формируемсго на клемме 25 ГИУ 12, Если после окончания формирования импульса иа клемме 25 ГИУ 2 ток нагрузки не превышает критического значения, то транзистор 10 остается во включенном состоянии, что приводит к протеканию базового и коллекторно о тока тран-истора 6 и базового и коллекторного тока транзистора

1, Ключ остается в открытом состоянии.

При увеличении тока на<-руэки выше критического значения коэффициенты насыщения транзисторов 10 и 6 уменьшаютсл, что приводит к нестабильности тока транзистора 10 и транзисторный аналог тиристорной струк1уры, образованный транзисторами l0 и 6, выключается, Напряжение коллектора транзистора 6 возрастает до +Еу, что в сво о очередь через резистор 7 гриводиг к активному запираиию транзистора 10. С выключением транзистора 6 эмиттер транзистора

1 отключается от выходной клеммы 22, база — эмиттерный переход транзистора 1 запирается, Так как высоковольтные составные транзисторы обладают большим временем рассасывания избыточных HGcMTBJlBA зарлда, то база — коллскториый переход транзисТор8 1 остае1 ся смещенным в г1рямом направлении и ток нагрузки, протекая по нему, заряжает конденсатор 21 и обеспечивает интенсивное рассасывание избыточных носителей. По окончании процесса рассасывания высоковольтный транзистор

1 запираетсл. заряд конденсатора 21 прекращаетсл и его поте-циал остаетсл иа уровне +E>>. При этом достигается уменьшение времени рассасынаию с 10 до 1 ... 3

viKG, а следовательно, и уменьшение потерь эиеогии при выключении и повышенная ус5

55 тойчивость транзистора 1 к вторичному пробою по иапря>кению вплоть до Окэо.

Нри уменьшении сопротивления нагрузки вплоть до короткого замыкания увеличивается скорость нарастания тока и ток эа короткое время может нарасти выше критического значения. Для того, чтобы защита сработала раньше, введен резистор 11 со1 противление которого выбрано так, чтобы при формировании на клемме 25 ГИУ 24 импульса нулевого уровня напряжение базы транзистора 10 было равно - 610 Ui

ГдЕ Ui

9, Этим достигается высокое быстродействие срабатыванил защиты, которое составляет 0,5 .„1 мкс. За это время ток нагрузки не успевает нарасти до порога срабатывания защиты. Выключение ключа при меньшем токе устраняет возможность возникновения вторичного пробоя высоковольтного транзистора 1, что повышает надежность работы устройства.

Таким образом, устройство при простой реализации обеспечивает высокую наде>кность защиты мощных транзисторов при перегрузке по току и при коротком замыкании нагрузки.

Формула изобретения

Устройство для управления мощным высоковольтным транзисторным ключом, сос>таящим из высоковольтного транзистора, содержащее генератор управляющих импульсов, первый вход которого предиаэнач-ен для подключения к выходному силовому за>киму, токоограничительный резистор, один вывод которого предназначен для подключения к базе высоковольтного транзи(Top8, мощный высокочастотный управляющий транзистор, эмиттер которого подключен к выходному силовому зажиму, коллектор предназначен для подключения к . эмиттеру высоковольтного транзистора, база которого подключена к первым вь1водам параллельно соединенных диода и резистора, вторые выводы которых подключены к первому выводу конденсатора, второй вывод которого подключен к выходному силовому зажиму, второй вывод токоограничительиого резистора подключен к катоду диода,о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью обеспечения защиты от перегрузки по току и короткого замыкания в нагрузке и повышения надежности, введены транзистор, два дополнигельных диода, три дополнительных резистора, делитель напряжения и дополнительный источник питания, причем

1791926 эмиттер укаэанного транзистора предназначен для подключения через первый дополнительный резистор к положительному . выводу дополнительного источника питания,к катоду первого дополнительного диода, база — к аноду второго дополнительного диода, аноду первого дополнительного диода, через второй дополнительный резистор к коллектору высокочастотного управляющего транзистора и через третий дополнительный резистор к выходу формирования напряжения нулевого уровня генератора управляющих импульсов, коллектор — к базе высокочастотного транзистора и выходу формирования

5 напряжения отрицательной полярности генератора управляющих импульсов, второй вход которого подключен к выходу делителя напряжения, катод второго дополнительного диода подключен к коллектору высокочастотного управляю10 щего транзистора.