Тиристорный ключ

Изобретение относится к импульсной технике, а именно к устройствам коммутации силовых электрических сигналов при помощи полупроводниковых приборов, и может быть использовано в устройствах преобразовательной техники или формирования коротких импульсов, например, лазерной техники. Технический результат – повышение надежности работы тиристорного ключа в импульсном режиме. Для этого тиристорный ключ содержит драйвер, тиристор, конденсатор, первый и второй резисторы и биполярный транзистор. Анод тиристора через нагрузку соединен с положительным полюсом источника питания, отрицательный полюс которого подключен к катоду тиристора и к общему полюсу драйвера. Выход драйвера соединен с управляющим электродом тиристора. Эмиттер биполярного транзистора соединен с общим полюсом драйвера и отрицательным полюсом источника питания, коллектор подключен к управляющему электроду тиристора, а база через последовательно включенные первый резистор и конденсатор соединена с положительным полюсом источника питания. Между базой биполярного транзистора и его эмиттером подключен второй резистор. 1 ил.

 

Изобретение относится к импульсной технике, а именно к устройствам коммутации силовых электрических сигналов при помощи полупроводниковых приборов и может быть использовано в устройствах преобразовательной техники или формирования коротких импульсов, например, лазерной техники.

Известен транзисторный ключ (патент SU 1786653 A1 Н03К 17/687, опубл. 17.01.1993, бюл. №1), в котором для переключения электрических сигналов используются биполярные транзисторы. Он содержит биполярный транзистор, в коллекторную цепь которого включены нагрузка и источник питания. Недостатком этого устройства является невысокая энергетическая эффективность, что обусловлено необходимостью создания базового тока значительной величины для токов коллектора при большой мощности нагрузки.

Лучшими показателями энергетической эффективности обладают полупроводниковые ключи, где в качестве полупроводникового элемента используется тиристор, для включения которого требуются достаточно короткие импульсы, а для поддержания тиристора в открытом состоянии энергии не требуется (Электрические и электронные аппараты / Под ред. Ю.К. Розанова. - М.: Информэлектро, 2001. - С. 217, рис. 7.47а). Этот ключ содержит тиристор, последовательно с анодом и катодом которого соединены нагрузка и источник питания, а между его управляющим электродом и катодом через управляющий резистор подключен источник коротких импульсов. Недостатком данного тиристорного ключа является невысокая энергетическая эффективность и недостаточное быстродействие.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является тиристорный ключ, где для формирования импульсов тока управляющего электрода использованы специальные функционально сложные драйверы, которые определяют наиболее эффективную форму и амплитуду импульсов тока управляющего электрода (Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи. - М.: Издательский дом Додека-XXI, 2001. - С. 216, рис. 4.59).

Недостатком данного тиристорного ключа является невысокая надежность работы. Это обусловлено негативным влиянием паразитной емкости между анодом и управляющим электродом, которая может вызвать несанкционированное включение тиристора при подключении к ключу напряжения питания с большой скоростью dU_a=к/dt.

Технической задачей изобретения является создание тиристорного ключа с повышенной надежностью в режиме импульсной работы при больших значениях скорости нарастания напряжения питания схемы.

Технический результат - повышение надежности работы тиристорного ключа в импульсном режиме.

Для решения технической задачи и достижения указанного технического результата в тиристорном ключе, содержащем драйвер и тиристор, анод которого через нагрузку соединен с положительным полюсом источника питания, отрицательный полюс которого подключен к катоду тиристора и к общему полюсу драйвера, причем выход драйвера соединен с управляющим электродом тиристора, согласно изобретению, в него введены конденсатор, первый и второй резисторы и биполярный транзистор, эмиттер которого соединен с общим полюсом драйвера и отрицательным полюсом источника питания, коллектор подключен к управляющему электроду тиристора, а база через последовательно включенные первый резистор и конденсатор соединены с положительным полюсом источника питания, причем между базой биполярного транзистора и его эмиттером подключен второй резистор.

Сущность изобретения поясняется фигурой, на которой приведена схема тиристорного ключа.

Тиристорный ключ содержит тиристор 1, анод которого через нагрузку 2 подключен к положительному полюсу источника питания 3, отрицательный полюс которого соединен с катодом тиристора 2, эмиттером биполярного транзистора 4 и с общим полюсом драйвера 5. Управляющий электрод тиристора 1 подключен к выходу драйвера 5 и через последовательно включенные первый резистор 6 и конденсатор 7 соединен с положительным полюсом источника питания 4. Между базой и эмиттером биполярного транзистора 4 подключен второй резистор 8.

Тиристорный ключ работает следующим образом.

При подаче на схему тиристорного ключа напряжения источника питания 3 возникает экспоненциально нарастающий ток заряда конденсатора 7, амплитуда импульса которого определяется величиной сопротивления первого резистора 6. Появляется базовый ток биполярного транзистора 4, который включается и шунтирует вход тиристора 1 по его управляющему электроду. Это исключает негативное влияние емкости анод-управляющий электрод тиристора 1 и устраняет несанкционированное ложное включение тиристора 1.

Далее по мере заряда конденсатора 6 ток базы биполярного транзистора 4 уменьшается, что обусловливает его выключение вплоть до последующего полного запирания.

Для обеспечения условия повышенной надежности работы схемы тиристорного ключа требуется, чтобы длительность включенного состояния биполярного транзистора 4 была больше, чем время заряда емкости анод-управляющий электрод тиристора 1. В этом случае ток заряда этой емкости будет шунтироваться включенным состоянием биполярного транзистором 4 и не окажет влияния на функционирование тиристорного ключа при подключении напряжения источника питания 3.

Подобное плавное выключение биполярного транзистора 4 приведет к аналогичному плавному заряду паразитной емкости анод-управляющий электрод тиристора 1, что при наличии большой скорости dU_п/dt напряжения U_п источника питания 3 при его подключении к тиристорному ключу обусловит его более надежную работу за счет исключения несанкционированного ложного включения тиристора 1 при отсутствии его тока управляющего электрода.

На последующих этапах работы тиристорного ключа в импульсном режиме после отключения от схемы напряжения источника питания 3 конденсатор 7 разряжается через резисторы 6 и 8, за счет чего схема тиристорного ключа приводится в исходное состояние.

Таким образом, введение биполярного транзистора 4 и управление его от резисторов 6, 8 и конденсатора 7 позволяет снизить негативное влияние емкости анод-управляющий электрод тиристора 1 и исключить его несанкционированное ложное включение при подаче напряжения от источника питания 3. Выбор параметров последовательной цепи, состоящей из конденсатора 7 и резистора 6, дает возможность обеспечить выключенное состояние тиристора 1 в момент подключения напряжения источника питания 3 к схеме тиристорного ключа, когда тиристор 1 включаться не должен. Следовательно, предлагаемый тиристорный ключ обеспечивает повышение надежности его работы в импульсном режиме.

Тиристорный ключ, содержащий драйвер и тиристор, анод которого через нагрузку соединен с положительным полюсом источника питания, отрицательный полюс которого подключен к катоду тиристора и к общему полюсу драйвера, причем выход драйвера соединен с управляющим электродом тиристора, отличающийся тем, что в него введены конденсатор, первый и второй резисторы и биполярный транзистор, эмиттер которого соединен с общим полюсом драйвера и отрицательным полюсом источника питания, коллектор подключен к управляющему электроду тиристора, а база через последовательно включенные первый резистор и конденсатор соединена с положительным полюсом источника питания, причем между базой биполярного транзистора и его эмиттером подключен второй резистор.