СИЛОВОЙ ГАЛЬВАНИЧЕСКИ ИЗОЛИРОВАННЫЙ КЛЮЧ
GALVANICALLY ISOLATED POWER SWITCH

Предлагаемое изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в силовых импульсных устройствах и многоканальных коммутаторах с гальванической развязкой цепей управления и силовой схемы.
Известен силовой транзисторный ключ на МДП-транзисторе (патент РФ №2338316), содержащий транзисторы одинаковой проводимости, коллекторно-эмиттерные переходы которых зашунтированы диодами в запирающем направлении, резистор, коллектор одного из транзисторов подключен к затвору МДП-транзистора, а коллектор другого транзистора подключен к началу вторичной обмотки трансформатора, конец которой непосредственно подключен к истоку МДП-транзистора, трансформатор имеет вторичную обмотку со средней точкой, базы транзисторов соединены непосредственно, а дополнительная вторичная обмотка включена между эмиттерами транзисторов, причем начало дополнительной вторичной обмотки подключено к эмиттеру того транзистора, коллектор которого подключен к затвору МДП-транзистора, а средняя точка дополнительной вторичной обмотки трансформатора через резистор соединена с базами транзисторов. В силовом транзисторном ключе на МДП-транзисторе с помощью трансформатора обеспечивается управление ключом и гальваническая развязка цепей управления от силовой схемы. В этой схеме включение силового ключа происходит за счет поступления с трансформатора положительных импульсов опорной частоты с большой скважностью, отключение силового ключа происходит при поступлении с трансформатора отрицательных импульсов опорной частоты большой скважности.
Недостатком прототипа является задержка при переключении силового ключа, которая при отсутствии дополнительной схемы синхронизации может достигать времени периода следования импульсов опорной частоты.
Задачей настоящего изобретения является повышение быстродействия гальванически изолированного ключа.
Поставленная задача достигается тем, что в силовом гальванически изолированном ключе, состоящем из управляющего транзистора 2, выпрямительных диодов 4, 5, токового трансформатора 7, ограничительного резистора 8 и двух силовых транзисторов 10, 12, с целью повышения быстродействия силового гальванически изолированного ключа входной импульсный сигнал суммируется с прямоугольным напряжением опорной частоты, для чего источник входного сигнала 1 подключен к базе управляющего транзистора 2, эмиттер которого подсоединен к общей шине 3 входного сигнала 1 и источника опорной частоты 9, а коллектор к катодам выпрямительных диодов 4, 5, включенных в первичную обмотку 6 токового трансформатора 7, средний вывод первичной обмотки 6 подключен к общей шине 3 входного сигнала 1 и источника опорной частоты 9, а один из выводов первичной обмотки 6 подключен к ограничительному резистору 8, второй вывод которого подключен к источнику опорной частоты 9. Вторичная обмотка 11 токового трансформатора 7 подключена к базам силовых транзисторов 10, 12, коллекторы которых объединены, при этом средний вывод вторичной обмотки 11 токового трансформатора 7 подключен к объединенным эмиттерам силовых транзисторов 10, 12.
Суть предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена электрическая схема силового гальванически изолированного ключа, состоящего из управляющего транзистора 2, выпрямительных диодов 4, 5, токового трансформатора 7, ограничительного резистора 8, силовых транзисторов 10, 12. При этом входной сигнал 1 подается на базу управляющего транзистора 2, эмиттер которого подключен к общей шине 3 входного сигнала 1 и источника опорной частоты 9, а коллектор к катодам выпрямительных диодов 4, 5, включенным в первичную обмотку 6 токового трансформатора 7, средний вывод первичной обмотки 6 подключен к общей шине 3 входного сигнала 1 и источника опорной частоты 9. Один из выводов первичной обмотки 6 подключен к ограничительному резистору 8, второй вывод которого подключен к источнику опорной частоты 9. Вторичная обмотка 11 токового трансформатора 7 подключена к базам силовых транзисторов 10, 12, коллекторы которых объединены, при этом средний вывод вторичной обмотки 11 токового трансформатора 7 подключен к объединенным эмиттерам силовых транзисторов 10, 12. На фиг.2 представлена осциллограмма напряжения на базах и коллекторах силовых транзисторов 10,12 и управляющего транзистора 2.
Схема работает следующим образом.
На базу управляющего транзистора 2 подается входной сигнал 1, представляющий собой прямоугольные управляющие импульсы, а источник опорной частоты 9 выдает прямоугольное напряжение опорной частоты.
При поданном низком уровне входного сигнала 1 управляющий транзистор 2 закрыт, выпрямительные диоды 4, 5 находятся в отключенном состоянии, к первичной обмотке 6 токового трансформатора 7, через ограничительный резистор 8 прикладывается опорное напряжение с источника опорной частоты 9. По вторичной обмотке 11 токового трансформатора 7 протекает базовый ток силовых транзисторов 10, 12, заданный ограничительным резистором 8.
<mrow><mi>I</mi><mi>b</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>U</mi><mi>o</mi></mrow><mrow><mi>R</mi><mi>o</mi><mo>⋅</mo><mi>K</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo></mrow>
где
Ib - ток базы силовых транзисторов 10, 12;
Uo - напряжение сигнала источника опорной частоты 9;
Ro - сопротивление ограничительного резистора 8;
<mrow><mi>K</mi><mi>t</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>n</mi><mn>11</mn></mrow><mrow><mi>n</mi><mn>6</mn></mrow></mfrac></mrow>
- коэффициент трансформации токового трансформатора 7;
n11 - число витков вторичной обмотки 11 токового трансформатора 7;
n6 - число витков первичной обмотки 6 токового трансформатора 7.
Осциллограммы напряжений на базах управляющего транзистора 2 и силовых транзисторов 10, 12 приведены соответственно на фиг.2 а), б), в) интервал А. При закрытом управляющем транзисторе 2 на базу каждого из силовых транзисторов 10, 12 попеременно подается отпирающее и запирающее напряжение, при этом постоянно обеспечивается открытое состояние одного из транзисторов и силового ключа в целом фиг.2 г) интервал А.
При поступлении высокого уровня входного сигнала 1 управляющий транзистор 2 переходит в насыщенное состояние, выпрямительные диоды 4, 5 замыкаются на общую шину 3 входного сигнала 1 и источника опорной частоты 9, при этом напряжение на первичной обмотке 6 токового трансформатора 7:
<mrow><mi>U</mi><mn>6</mn><mo>=</mo><mi>U</mi><mn>4,5</mn><mo>+</mo><mi>U</mi><mn>2</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где
U6 - напряжение на первичной обмотке 6 токового трансформатора 7;
U4, 5 - прямое падение напряжения на выпрямительных диодах 4, 5;
U2 - напряжение эмиттер-коллектор насыщенного управляющего транзистора 2.
На базах силовых транзисторов 10, 12 формируется пониженное напряжение, обеспечивающее режим отсечки этих транзисторов:
<mrow><msub><mtext>U</mtext><mrow><mi>Э</mi><mi>Б</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mtext>Kt</mtext><mo>⋅</mo><mtext>U6</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>(3) </mtext></mrow>
Для обеспечения режима отсечки силовых транзисторов 10, 12 должен применяться понижающий трансформатор. При использовании кремниевых транзисторов и диодов Kt≤0,5.
Осциллограммы напряжений на базах транзисторов 2, 10, 12 приведены соответственно на фиг.2 а), б), в) интервал В. При открытом управляющем транзисторе 2 на базу каждого из силовых транзисторов 10, 12 попеременно подается запирающее напряжение или обеспечивается режим отсечки, что приводит к запиранию силового ключа в целом фигура 2 г) интервал В.
Из осциллограмм, приведенных на фиг.2 видно, что при суммировании импульсного входного сигнала 1 с прямоугольным напряжением источника опорной частоты 9 на первичной обмотке 6 токового трансформатора 7 в момент переключения входного сигнала энергия, накопленная на обмотках трансформатора 7, рассеивается на ограничительном резисторе 8, а низкое сопротивление вторичной обмотки 11 токового трансформатора 7 обеспечивает быстрое рассасывание неосновных носителей в переходах база-эмиттер силовых транзисторов 10, 12. Все это исключает затягивание фронта переключения силового транзистора.
Данное изобретение предлагается использовать в блоках управления приводами, разрабатываемых ОАО «ИСС» в качестве регулятора тока в фазах электродвигателя.
Из известных заявителю патентно-информационных материалов не обнаружены признаки, сходные с совокупностью признаков заявляемого объекта.