СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЗАТВОРАМИ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ ИЛИ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ С ИЗОЛИРОВАННЫМИ ЗАТВОРАМИ (ВАРИАНТЫ)
METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING INSULATED-GATE BIPOLAR OR FIELD-EFFECT TRANSISTOR GATES (VERSIONS)

Изобретение относится к силовой электронике, в частности к способам и устройствам для управления затворами полевых транзисторов или затворами биполярных транзисторов с изолированными затворами.
Известны способ и устройство для управления затворами полевых транзисторов или биполярных транзисторов с изолированным затвором с совместной передачей энергии управления и управляющей информации с помощью разделительных трансформаторов (Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение. - М.: Издательский дом Додека-XXI, 2001, стр. 188-195; Каталог фирмы Semicron, http://semicron.com). Недостатком известного способа является зависимость амплитуды импульса управления от скважности. При увеличении относительной длительности прямого сигнала происходит уменьшение его амплитуды. Увеличение скважности более чем на 30% приводит к снижению амплитуды напряжения управления от 15 В до уровня менее 12 В, что является пределом для транзисторов с изолированными затворами. Расширение рабочего диапазона скважности за счет увеличения напряжения питания ограничено амплитудой 20 В, максимально допустимой для изолированных затворов. Кроме того, из-за насыщения магнитного сердечника трансформатора ограничивается максимальная и минимальная длительности сигнала управления из-за недостаточной запасаемой энергии в обмотке трансформатора.
Известны способ и устройство для управления затворами полевых транзисторов или биполярных транзисторов с изолированным затвором с раздельной передачей энергии питания для управления затвором и управляющей информацией, при этом источник управляющей информации электрически изолируют от транзисторов с помощью оптронов диодного или транзисторного типа, а энергоснабжение цепей затворов транзисторов обеспечивается либо путем применения батареи гальванических элементов или аккумуляторов, либо путем преобразования энергии первичных источников питания как от сети переменного тока, так и от источников постоянного тока (Розанов Ю.К. Силовая электроника: учебник для ВУЗов. / Ю.К. Розанов, М.В. Рябчинский, А.А. Кваснюк. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007, стр.104; Каталог фирмы International Rectifier (IR), http://www.irf.com). Недостатком известного способа является температурная нестабильность параметров оптронной развязки, низкий коэффициент передачи тока у диодных оптронов, большая задержка передачи сигнала у транзисторных оптронов. Другим недостатком известного способа является громоздкость и неэкономичность батареи из гальванических элементов, а также невысокая стабильность, повышенные массогабаритные показатели, обусловленные низкочастотными трансформаторами.
Известны способ и устройство для управления затворами полевых транзисторов или биполярных транзисторов с изолированным затвором с раздельной передачей энергии питания для управления затворами и управляющей информацией, при этом источник управляющей информации электрически изолирован от транзистора с помощью оптронов, а энергоснабжение обеспечивается за счет преобразования электроэнергии из выходной цепи полевых транзисторов или биполярных транзисторов с изолированным затвором (Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение. - М.: Издательский дом Додека-ХХI, 2001, стр. 222; Каталог фирмы «Протон», http://www.proton-orel.ru/). Недостатком известного способа является температурная нестабильность параметров оптронной развязки и снижение выходного напряжения с ростом скважности импульсов управления, а также возможность возникновения помех в цепях управления затворами, исходящих из выходной цепи управляемых транзисторов.
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа и устройства для управления затворами полевых транзисторов или затворами биполярных транзисторов с изолированными затворами, обеспечивающего высокую стабильность и надежность процесса управления затворами, высокую электрическую прочность гальванической развязки устройства управления и силовых элементов полевых транзисторов или биполярных транзисторов с изолированным затвором, исключение генерации электрических помех в устройстве управления от токов в выходных цепях управляемых транзисторов.
Технический результат достигается тем, что в способе управления затворами полевых транзисторов или биполярных транзисторов с изолированными затворами путем совместной передачи управляющей информации и энергии для управления затворами между источником и приемником управляющей информации и энергии для управления затворами полевых транзисторов или биполярных транзисторов с изолированным затворами создают беспроводной энерготранспортирующий канал в электроизолирующей среде светопроводящего стержня путем размещения на одном из торцов стержня мощного светодиода, на другом торце стержня матричного солнечного элемента, при помощи светодиода в направлении к матричному солнечному элементу в стержне возбуждают световой поток, энергию светового потока преобразуют в матричном солнечном элементе в энергию электрического тока, с помощью которой питают затвор полевого транзистора или биполярного транзистора с изолированным затвором, при этом управляющую информацию кодируют путем изменения времен включенного и выключенного состояний светодиода.
В другом варианте способа управления затворами полевых транзисторов или биполярных транзисторов с изолированными затворами путем совместной передачи управляющей информации и энергии для управления затворами источник питания соединяют через ключ со светодиодом, излучение которого через торец светопроводящего стержня из электроизоляционного материала направляют вдоль стержня на матричный солнечный элемент, преобразуют энергию излучения светодиода в электрическую энергию, при этом с помощью потока излучения в направлении от светодиода к матричному солнечному элементу передают вдоль стержня энергию для управления затворами полевых транзисторов или биполярных транзисторов с изолированными затворами, а изменением времен включенного и выключенного состояния светодиода кодируют управляющую информацию.
Еще в одном варианте способа управления затворами полевых транзисторов или биполярных транзисторов с изолированными затворами путем совместной передачи управляющей информации и энергии для управления затворами источник питания соединяют через электронный ключ с тремя мощными светодиодами, светодиоды оптически соединяют с тремя светопроводящими стержнями из электроизоляционного материала, излучение светодиодов направляют вдоль стержней на три матричных солнечных элемента, преобразуют в матричных солнечных элементах энергию излучения в электрическую энергию, причем два матричных солнечных элемента, энергия которых используется для открывания затвора, соединяют между собой согласно и последовательно, третий матричный солнечный элемент присоединяют параллельно и по полярности встречно первым двум матричным солнечным элементам, его электрическую энергию используют для закрывания затворов полевых транзисторов или биполярных транзисторов с изолированными затворами, а электронным ключом управляют устройством, кодирующим информацию.
Устройство для управления затворами полевых транзисторов или биполярных транзисторов с изолированными затворами, содержащее источник питания, излучатель и приемник излучения, при этом источник питания соединен через электронный ключ с мощным светодиодом, оптически соединенным со светопроводящим стержнем из электроизоляционного материала, к противоположному по отношению к светодиоду торцу светопроводящего стержня подсоединен матричный солнечный элемент, матричный солнечный элемент соединен с затвором полевого транзистора или биполярного транзистора с изолированным затвором, а электронный ключ соединен с устройством кодирования управляющей информации.
В другом варианте устройства для управления затворами полевых транзисторов или биполярных транзисторов с изолированными затворами, содержащем источник питания, излучатель и приемник излучения, источник питания через электронные ключи соединен с двумя мощными светодиодами, которые оптически соединены с двумя светопроводящими стержнями из электроизоляционного материала, к противоположным торцам светопроводящих стержней оптически присоединены матричные солнечные элементы, причем матричные солнечные элементы соединены между собой параллельно и встречно и соединены с затворами полевых транзисторов или биполярных транзисторов с изолированными затворами, электронные ключи соединены со светодиодами, а матричные солнечные элементы соединены с затворами полевых транзисторов или биполярных транзисторов с изолированными затворами, а электронные ключи попеременно включают светодиоды, световая энергия которых через матричные солнечные элементы управляет состоянием затворов полевых транзисторов или биполярных транзисторов с изолированными затворами.
Еще в одном варианте устройство для управления затворами полевых транзисторов или биполярных транзисторов с изолированными затворами, содержащее источник питания, излучатель и приемник излучения, источник питания через электронные ключи соединен с тремя мощными светодиодами, которые оптически соединены через три светопроводящих стержня с тремя матричными солнечными элементами, причем два матричных солнечных элемента, работающие при открытом состоянии транзисторов, соединены между собой согласно и последовательно, а также соединены с затворами полевых транзисторов или биполярных транзисторов с изолированными затворами, третий матричный солнечный элемент, работающий при закрытом состоянии полевых транзисторов или биполярных транзисторов с изолированными затворами, соединен параллельно, а по полярности встречно первым двум матричным элементам, электронные ключи содержат устройство кодирования управляющей информацией.
GE
CE
GE
CE
Сущность изобретения иллюстрируется на фиг.1-4, где на фиг.1 представлена схема способа и устройства на примере полевого транзистора, на фиг.2 - схема устройства для питания и управления затвором биполярного транзистора с изолированным затвором, на фиг.3 - осциллограммы напряжений на затворе U коллекторе U силового транзисторного ключа на базе биполярного транзистора с изолированным затвором при его переключениях, на фиг.4 - осциллограммы напряжений на затворе U и коллекторе U силового транзисторного ключа на базе биполярного транзистора с изолированным затвором при его работе в качестве силового ключа.
Схема способа и устройства на фиг.1 содержит источник питания 1, соединенный через ключ 2 со светодиодом 3. Излучение 6 от светодиода 3 через торец 4 светопроводящего стержня 5 из электроизоляционного материала проходит вдоль стержня и через торец 7, противоположный к торцу 4, поступает на матричный солнечный элемент 8, генерирующий ток и фото-э.д.с. в результате засветки. Матричный солнечный элемент заряжает затвор 9 полевого транзистора 10 до напряжения U, равного фото-э.д.с. Разрыв цепи питания светодиода 3 с помощью ключа 2 приводит к прекращению тока через светодиод 3, исчезновению светового потока 6 в стержне 5, прерыванию процесса генерации фото-э.д.с. в матричном солнечном элементе 8, релаксации электрического заряда на затворе 9 полевого транзистора 10 и, как следствие, закрыванию транзистора. Силовой диод 34 обеспечивает нормальный режим включения и выключения нагрузки 11 в случае, если она имеет индуктивно-активный характер. Резистор 12 способствует ускорению перехода транзистора 10 из открытого состояния в закрытое и, наоборот, из закрытого в открытое за счет оптимизации процесса перезаряда затвора 9.
Необходимый паспортный уровень потенциала открывания на затворе 9 полевого транзистора 10 задается величиной светового потока 6 светодиода 3. Интенсивность светового потока 6 регулируется подстроенным резистором 13.
Схема способа и устройства на фиг.2 содержит источник питания 14, соединяемый ключом 15 со светодиодом 16 либо с последовательно включенными светодиодами 17 и 18. Излучение светодиодов через торцы 19, 20, 21 попадает в светопроводящие стержни 22, 23, 24 из электроизоляционного материала, проходит вдоль стержней и через выходные торцы 25, 26, 27 стержней попадает на матричные солнечные элементы 28, 29, 30, генерирующие ток и фото-э.д.с. в результате их засветки. Напряжение матричных солнечных элементов подается на затвор 31 биполярного транзистора с изолированным затвором 32 и заряжает его. В случае подачи энергии источника 14 ключом 15 в светодиоды 17, 18 затвор 31 биполярного транзистора с изолированным затвором 32 заряжается суммарным напряжением матричных солнечных элементов 29, 30 до потенциала открывания биполярного транзистора с изолированным затвором 30. В цепи коллектора транзистора начинает течь ток, и нагрузка 33 в коллекторной цепи транзистора 32 начинает работать. При переключении ключом 15 источника питания 14 на питание светодиода 16 светодиоды 17, 18 перестают генерировать свет, а соответственно, матричные солнечные элементы 29, 30 генерировать фото-э.д.с., светодиод 16 начинает генерировать свет, который через торец 19 светопроводящего стержня 22 попадает в стержень, проходит вдоль него и через торец 25 попадает на матричный солнечный элемент 28. Матричный солнечный элемент 28 в результате засветки начинает генерировать ток и фото-э.д.с. Фото-э.д.с. матричного солнечного элемента 28 поступает на затвор 31 биполярного транзистора с изолированным затвором 32. Фото-э.д.с. матричного солнечного элемента заряжает затвор 32 зарядом противоположного знака, в результате чего, а также из-за прекращения работы матричных солнечных элементов 29, 30 потенциал затвора 31 становится отрицательным и достигает величины запирания транзистора 32, коллекторный ток транзистора прекращается, нагрузка 33 в цепи коллектора транзистора 32 перестает работать. Необходимый паспортный уровень потенциалов открывания и запирания на затворе 31 биполярного транзистора с изолированным затвором 32 задается величиной световых потоков светодиодов 16, 17, 18. Интенсивности световых потоков регулируются подстроенными резисторами 36, 37. Резистор 35 способствует ускорению перехода транзистора 32 из открытого состояния в закрытое и, наоборот, из закрытого в открытое за счет оптимизации процесса перезаряда затвора 31. Силовой диод 34 обеспечивает нормальный режим включения и выключения нагрузки 33 в случае, если она имеет индуктивно-активный характер.
GE
CE
На фиг.3 детально представлены осциллограммы напряжений на затворе U и коллекторе U силового транзисторного ключа на базе биполярного транзистора с изолированным затвором, управляемого и питаемого с помощью энергии электрического тока, генерируемого матричными солнечными элементами. Питание и управление производится от светодиодов мощностью 10 Вт. Частота переключений 1,0 кГц.
1
GE
CE
2
GE
3
3
4
GE
6
7
7
8
GE
Полный цикл процесса переключения разбит на восемь временных участков. На первом участке (продолжительность τ) потенциалы затвора (U) и коллектора (U) представляют собой потенциалы закрытого транзистора. По окончании первого участка на затвор подается импульс энергии из матричного солнечного элемента, начинается процесс перезаряда емкости затвора, потенциал затвора из отрицательного через ноль переходит в область положительных величин. При этом коллекторный потенциал продолжает оставаться высоким (транзистор закрыт). Аналогичная ситуация и на втором участке, его продолжительность τ. Второй участок называют «задержкой включения», он продолжается до тех пор, пока U не достигнет потенциала открывания. На третьем участке (продолжительность τ) происходят перезаряд «емкости Миллера» и открывание транзистора. Открывание сопровождается увеличением входной емкости затвора из-за сложного процесса, связанного с наличием отрицательной обратной связи между входом и выходом транзистора через емкость «затвор-коллектор». В результате перезарядки коллектор существенно увеличивает входную емкость, в связи с этим возрастает время открывания на некоторую величину τ - время нарастания коллекторного тока. На четвертом участке длительностью τ происходит заряд входной емкости до напряжения +U, на пятом участке транзистор полностью открыт и остается таковым до наступления момента выключения последовательно соединенных матричных солнечных элементов со встречной полярностью. Далее начинается разряд емкости затвора. Продолжительность этого участка τ. Шестой участок составляет время «задержки выключения». На седьмом участке (τ) происходит спад коллекторного тока, действие «эффекта Миллера» в обратном направлении, τ - время «спада» коллекторного тока. При этом ток коллектора уменьшается почти до нуля, но внутренние процессы рекомбинации неосновных носителей заряда в биполярной части транзистора еще продолжаются. На восьмом участке длительностью τ они приводят к некоторым колебаниям убывающего тока, окончательно прекращающегося к концу восьмого участка (участок «токового хвоста»). К окончанию восьмого участка напряжение на затворе достигает потенциала запирания -U. Далее цикл повторяется, начинается первый участок - участок установившегося закрытого состояния транзистора до начала процесса открывания.
GE
CE
На фиг.4 представлены осциллограммы напряжений на затворе U и коллекторе U силового транзисторного ключа на базе биполярного транзистора с изолированным затвором. Показаны времена переключений. Частота переключений 1,0 кГц.
Способ и устройство для совместной передачи управляющей информации и энергии управления затворами полевых транзисторов осуществляется следующим образом (фиг.1). Электрическую энергию от источника 1 подают путем замыкания ключа 2 на светодиод 3, в результате через светодиод 3 протекает электрический ток. В светодиоде 3 протекание тока сопровождается излучением электролюминесцентного света, свет через торец 4 светопроводящего стержня 5 из электроизоляционного материала направляют к торцу 7, через торец 7 свет поступает на матричный солнечный элемент 8, преобразующий энергию излучения в электрическую энергию. С помощью энергии электрического тока заряжают затвор 9 полевого транзистора 10, заряженным затвором 9 открывают полевой транзистор 10. Для прекращения передачи энергии в затвор 9 полевого транзистора 10 прерывают электрический ток через светодиод 3 с помощью ключа 2. Управлением времени протекания тока через светодиод 3 и отсутствием света в стержне передают информацию о необходимом состоянии транзистора 10, управляющим подачей энергии в коллекторную нагрузку 11 транзистора 10. Резистор 12 применяют для уменьшения времен переключения транзистора 10 из открытого состояния в закрытое и обратно. Резистор 13 служит для задания необходимого уровня тока через светодиод 3 с целью получения паспортного потенциала отпирания полевого транзистора 10. Источник 1 электрической энергии является источником постоянного тока необходимой мощности для обеспечения тока через светодиод 3.
Способ и устройство для управления затворами биполярных транзисторов с изолированными затворами биполярных транзисторов с изолированным затвором реализуется следующим образом (фиг.2). Источник электрической энергии постоянного тока 14 с помощью ключа 15 подключают к одному 16 или двум 17 и 18 светодиодам. Светодиоды 16, 17, 18 оптически плотно соединяют входными окнами с отполированными торцами 19, 20, 21 стеклянных стержней 22, 23, 24, выполняющих роль световодов. К входным отполированным торцам 25, 26, 27 стеклянных стержней присоединяют матричные солнечные элементы 28, 29, 30. Матричные солнечные элементы 29, 30 электрически соединяют между собой последовательно так, что суммарное напряжение положительным полюсом подают на затвор 31 биполярного транзистора с изолированным затвором 32. Матричный солнечный элемент 28 подключают параллельно паре матричных солнечных элементов 29, 30 и во встречном направлении к ним так, что при включенном состоянии они подают на затвор 31 транзистора 32 отрицательный потенциал. Биполярный транзистор с изолированным затвором 32 питают источником постоянного тока, при этом положительный потенциал источника напряжения подают через нагрузку 33 на коллектор транзистора 32, а отрицательный потенциал подают на эмиттер транзистора 32. Резистор 35 формирует траекторию рабочей точки потенциала управляемого затвора 31 транзистора 32 при переключениях из закрытого состояния в открытое и из открытого состояния в закрытое, сокращает времена открывания и закрывания, исключает «уход» потенциала затвора 31 за пределы допустимых границ рабочего диапазона и обеспечивает работу матричных солнечных элементов в режиме генераторов тока.
Пример реализации
Осуществлены совместное питание и управление затвором биполярного транзистора с изолированным затвором (фиг.3) одним из транзисторов типового инверторного мостового трехфазного модуля MHPM6B25A120SL (фирма Motorola). Номинал резистора 35 составляет 10 кОм, обеспечивает необходимый перепад потенциалов затвора при переключениях из состояния «открыто» в состояние «закрыто» и наоборот. Потенциалы управления составляют: +15 В - транзистор открыт; -5 В - транзистор закрыт. В качестве нагрузки используют осветительную лампу накаливания мощностью 500 Вт. Питание коллекторной цепи транзистора осуществляют от выпрямителя с выходным напряжением 220 В.
В качестве мощных светодиодов используют три светодиода марки HPR20Д-19К10NWG-Д.
Светотехнические характеристики светодиода:
световая мощность
10 Вт
цвет свечения
белый
цветовая температура
4000°К
световой поток
7900 Лм
размер излучающего окна
(10×10) мм<sup>2</sup>
номинальный ток питания
1050 мА
напряжение на светодиоде
11,6 В
коэффициент полезного действия
0,82
угол расхождения светового потока
120°
Фирма-изготовитель Neocolor.
Для открывания используют два светодиода, для закрывания - один светодиод. В качестве генераторов фото-э.д.с. используют матричные солнечные элементы. Светопровод для организации энергопроводящего канала питания и управления затвором биполярного транзистора с изолированным затвором выполняют в виде стеклянного стержня диаметром 10 мм, длиной 100 мм. Торцы стеклянного светопровода отполировывают и оптически соединяют с выходными окнами светодиодов. Коммутацию тока в светодиодах осуществляют с помощью транзисторных ключей, управляемых от генератора звуковых частот, выходное напряжение 5 В. Эксперимент выполняют на рабочей частоте 1,0 кГц.
С помощью стороннего источника постоянного напряжения между цепями питания светодиодов и цепями управляемого биполярного транзистора с изолированным затвором при измерениях создают разницу потенциалов, имитирующую высоковольтный потенциал силовых коммутируемых цепей. Осциллограммы измеряют при потенциале 5,0 кВ. При измерениях были приняты меры по обеспечению гальванической развязки между цифровым осциллографом и силовыми цепями биполярного транзистора с изолированным затвором, обеспечившими безопасный для измерительной аппаратуры режим электрической прочности.
Подробный анализ поведения потенциалов затвора и коллектора по отношению к эмиттеру при управлении и питании цепей управления транзистора энергией, генерируемой матричным солнечным элементом при его засветке потоком света, приходящим от мощного управляющего светодиода, показывает, что биполярный транзистор с изолированным затвором работает в качестве силового ключа в штатном режиме, при этом наличие в канале управления и питания цепи затвора транзистора энергопроводящего, электроизолирующего звена из мощного светодиода, светопроводящего стержня и матричного солнечного элемента обеспечило этот режим, несмотря на пятикиловольтовый перепад потенциалов, под которым находились цепи управления (светодиод) и цепи затвора транзистора (матричный солнечный элемент).
Таким образом, предлагаемый способ совместного питания и управления цепями затворов мощных ключей на базе твердотельных коммутационных приборов с полевым управлением может обеспечить создание широкого спектра высоковольтных оптоуправляемых коммутаторов. Преимущества мощных оптоэлектронных коммутаторов на основе оптопары «мощный светодиод - матричный солнечный элемент»:
- высокая надежность;
- неизменное переходное сопротивление в течение всего срока службы;
- отсутствие «дребезга» при переключениях;
- отсутствие акустического шума;
- совместимость по цепи управления с логическими микросхемами;
- высокая электрическая прочность между цепями управления и силовыми цепями;
- высокое быстродействие;
- малое удельное энергопотребление (отношение энергии управления к управляемой энергии);
- повышенная стойкость цепи затвора транзисторного ключа к электромагнитному (ЭМИ) и нейтронному импульсному воздействию (НИ).