ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ КЛЮЧ

Полезная модель относится к электронной технике. Прежде всего она предназначена для коммутации высокого напряжения при формировании терапевтического импульса большой мощности в кардиодефибрилляторах. Кроме того она может быть использована в высоковольтных импульсных стабилизаторах напряжения или тока и высоковольтных модуляторах.
В электронной технике широко используются полупроводниковые коммутаторы, где для обеспечения коммутации высокого напряжения соединяют последовательно несколько более низковольтных тиристоров или транзисторов. Тиристорные коммутаторы, например, высоковольтный ключ (авт. св. №1499470, 12.11.1993 г.) способен коммутировать высокое напряжение при больших токах нагрузки и не требует отдельных цепей управления на каждый тиристор, но для прерывания тока через тиристорный коммутатор требуется дополнительное внешнее устройство.
Наиболее пригодны для включения и выключения больших напряжений и токов мощные полевые транзисторы и биполярные транзисторы с изолированным затвором, известные под названием БТИЗ(IGBT). Известен формирователь импульсов энергии (RU №2497274 C1, 28.02.2012 г.), где высоковольтный коммутатор состоит из трех последовательно соединенных БТИЗ, зашунтированных ограничителями напряжения, в данном случае варисторами. Недостаток коммутатора в том, что необходимо иметь отдельные изолированные цепи управления для каждого транзистора, входящего в коммутатор, что усложняет схему и снижает ее надежность.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели и принятый за прототип является импульсный модулятор (RU №69685 U1, 20.08.2007 г.), содержащий столб из нескольких последовательно соединенных полевых транзисторов, ограничители напряжения, подключенные между истоками и стоками транзисторов, управляющее напряжение на транзисторы подается с индивидуальных изолированных выходных обмоток общего импульсного трансформатора, подключенных между стоками и затворами соответствующих транзисторов. Прототип позволяет осуществить коммутацию только в режиме короткого импульса. Импульсный трансформатор, к которому в данном устройстве предъявляются повышенные требования по электрической прочности межобмоточной изоляции, повышает цену и габариты изделия, снижает его надежность.
Полезная модель разработана с целью обеспечения работы коммутационного устройства в режиме длительного включения, снижения габаритов и стоимости, а так же повышения надежности устройства.
Указанная цель достигается тем, что в высоковольтный ключ, содержащий N последовательно и согласно включенных транзисторов с изолированным управляющим электродом, например, IGBT-типа, N ограничителей напряжения, подключенных между истоками и стоками соответствующих транзисторов, где входом ключа является сток N-го транзистора, а выходом ключа является исток первого транзистора, для каждого транзистора, начиная со второго, дополнительно введены резистор и диод, при этом резисторы включены между истоками и затворами соответствующих транзисторов, аноды всех дополнительных диодов соединены с управляющим входом ключа, а катоды диодов соединены с затворами соответствующих транзисторов, затвор первого транзистора соединен с управляющим входом ключа, при этом напряжение на управляющий вход ключа подается относительно истока первого транзистора.
Заявленное решение поясняется чертежами, где: на фиг. 1 изображена схема предлагаемого высоковольтного ключа; на фиг. 2 - схема высоковольтного ключа с использованием дополнительного источника постоянного тока; на фиг. 3 - схема высоковольтного ключа с использованием ограничителей напряжения в цепях управления транзисторами.
Предлагаемый высоковольтный ключ, схема которого приведена на фиг. 1, содержит N последовательно и согласно включенных транзисторов 1, между истоком и стоком каждого транзистора включен ограничитель напряжения 2. Затворы всех транзисторов, начиная со второго соединены резисторами 3 с истоками соответствующих транзисторов, а с помощью диодов 4 соединены с управляющим входом 5. Затвор первого транзистора соединен с управляющим входом 5 непосредственно.
Входом высоковольтного ключа (условно) является сток последнего транзистора, а выходом 7 ключа (условно) является исток первого транзистора.
Ключ работает следующим образом.
1
При отсутствии на входе 5 положительного отпирающего напряжения первый транзистор 1 закрыт.Остальные транзисторы, начиная со второго тоже закрыты, поскольку их затворы соединены с соответствующими истоками резисторами 3, обеспечивающими разряд входной емкости затворов до нулевого напряжения.
1
N
Входное напряжение закрытого ключа делится примерно поровну между ключевыми транзисторами 1…1. Ограничители напряжения 2, напряжение открывания которых не превышает максимального допускаемого напряжения закрытого транзистора, предохраняют закрытые транзисторы от пробоя в случае неравномерного распределения напряжения между ключевыми транзисторами. Диоды 4 закрыты обратным напряжением и на работу ключа влияния не оказывают. Максимальное допускаемое обратное напряжение диодов 4 должно быть не менее максимального напряжения, прикладываемого между входом 6 и выходом 7 ключа.
1
2
1
2
2
1
2…
n1
2
N
При поступлении на вход 5 ключа положительного отпирающего напряжения, для IGBT-транзисторов (10÷25)В, транзистор 1открывается, соединяет исток второго транзистора 1 с точкой 7, диод 4 открывается, на затвор транзистора 1 относительно его истока поступает положительное отпирающее напряжение, транзистор 1 открывается, создает условие для открывания третьего транзистора и т.д. Таким образом последовательно открываются все транзисторы высоковольтного ключа, обеспечивая протекание тока от входа ключа 6 к выходу 7. В открытом состоянии, также, как и в закрытом, ключ может находится не ограниченно долго. Для закрывания ключа входное отпирающее напряжение снижается до «0», транзистор 1 запирается, входные емкости затворов транзисторов 11, ранее заряженные до входного отпирающего напряжения, через резисторы 3 разряжаются до «0», обеспечивая тем самым запирание транзисторов 1…1, после чего высоковольтный ключ переходит в закрытое состояние.
При открытии и закрытии ключа переход транзисторов, входящих в него, из закрытого состояния в отрытое и наоборот происходит не одновременно, поэтому во время переходных процессов коммутируемый ток будет протекать в том числе через ограничители напряжения 2. При коммутации больших токов в качестве ограничителей напряжения 2 предпочтительно использовать варисторы, обладающие большей энергоемкостью, чем стабилитроны. Использование варисторов в качестве ограничителей напряжения 2 показано на фиг. 2 и фиг. 3.
2
N
Для обеспечения быстрого разряда входных емкостей затворов транзисторов 1…1, и соответственно, их закрывания сопротивление резисторов 3 должно быть небольшим (100÷200) Ом, что обеспечит время закрывания ключа около 1 мкс.
2…
n1
При открытом ключе все резисторы 3 через открытые транзисторы 11 и открытые диоды 4 подключены параллельно управляющему входу 5, результирующее сопротивление входа 5 ключа низкое, поэтому для управления ключом требуется драйвер с большой нагрузочной способностью. Чтобы повысить сопротивление управляющего входа 5 в режиме открытого ключа, аноды диодов 4 следует подключить не ко входу 5, а к источнику постоянного тока 8 с напряжением (10÷25) В, как показано на фиг. 2 и фиг. 3. Режимы работы ключевых транзисторов при этом практически не меняются.
2…
N
При больших токах в цепи коммутации падение напряжения на открытых транзисторах 1 становится значительным и приводит к повышению потенциалов истоков и, соответственно, снижению напряжения затвор-исток второго и последующих транзисторов. В некоторых случаях оставшегося напряжения затвор-исток последнего транзистора может оказаться недостаточно для его полного открывания. Эта проблема устраняется тем, что в высоковольтный ключ, показанный на фиг. 2, дополнительно введены резисторы 10, включенные между затворами транзисторов 11 и катодами соответствующих диодов 4 и ограничители напряжения 9, включенные между затворами и истоками этих транзисторов. На фиг. 3 приведена схема ключа с использованием ограничителей напряжения 9 и дополнительных резисторов 10.
Особенность работы ключа реализованного по схеме, приведенной на фиг. 3 в том, что отпирающее напряжение на переходе затвор-исток второго и последующих транзисторов не зависит от суммарного падения напряжения на предыдущих открытых транзисторах, а определяется параметрическими стабилизаторами, образованными соответствующими ограничителями напряжения 9 и резисторами 10. Напряжение источника постоянного тока 8 должно быть достаточным для обеспечения режима стабилизации напряжения на затворе последнего транзистора.
Высоковольтный ключ состоящий из трех IGBT-транзисторов SKW25N120, собранный по схеме близкой к схеме представленной на фиг. 3, успешно используется в составе кардиодефибриллятора для формирования терапевтических импульсов длительностью 10мс, напряжением до 2500 В и током через нагрузку до 80 А.