Датчик состояния полупроводникового ключа

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в системах управления полупроводниковыми преобразователями, регуляторами напряжения, использующими встречно-параллельно включенные полупроводниковые ключи (ПК).
Известна схема датчика состояния вентильных групп реверсивного преобразователя, содержащая токоограничивающие резисторы, четыре диод-транзисторных оптрона, диоды которых  попарно соединены встречно-параллельно и последовательно между собой и с ограничительными резисторами, средняя точка оптронов подключена к средней точке реверсивного преобразователя, а транзисторы оптронов, попарно соединенные последовательно, подключены параллельно к источнику питания через параллельно соединенные резистор и конденсатор (SU 1359866, МПК H02M 1/02, опубл. 15.12.1987).
Недостатками известного решения являются:
1. Гальваническая развязка между силовой схемой и  системой управления обеспечивается оптронами, которые и определяют прочность изоляции. Обычно напряжение изоляции оптронов не превышает 6000 – 7000 В, поэтому  применение таких датчиков ограничено.
о
2. Невысокая точность определения точек перехода через ноль напряжения на ПК.  Связано это с рабочими параметрами оптопары светодиод-транзистор, а именно с минимальным и максимальным током светодиода и чувствительностью транзистора. Ошибка при определении момента перехода через ноль напряжения на ПК достигает 16.
3. В высоковольтных схемах мощность потерь на токоограничивающих резисторах датчика оказывается недопустимо велика, поскольку при закрытом ПК резисторы должны обеспечивать номинальный ток светодиода оптрона.
Наиболее близким по технической сущности является датчик контроля проводимости вентилей, один канал которого содержит токоограничивающий резистор, компаратор, ключ, источник питания и токоограничивающий резистор, соединенный с входом оптрона (SU 1167516, МПК G01R 19/165, опубл. 15.07.1985).
Недостатками известного решения являются невысокое напряжение гальванической развязки с использованием оптронов, а также необходимость использования отдельного источника питания, который должен иметь высоковольтную гальваническую развязку.
Технический результат заключается в повышении надежности датчика за счет обеспечения максимально возможной гальванической развязки силовой схемы и системы управления с помощью оптоволокна, повышении КПД в связи с отсутствием потерь на токоограничивающих резисторах.
Технический результат достигается тем, что датчик состояния ПК содержит компаратор, токоограничивающий резистор и оптрон. Дополнительно введены трансформатор тока, первичная обмотка которого подключена последовательно с ПК, нагрузочный резистор, подключенный к выводам  вторичной обмотки трансформатора тока, выпрямительный мост, вход которого подключен к нагрузочному резистору, стабилитрон и конденсатор, подключенных параллельно к выходу выпрямительного моста, первый резистор, соединяющий первый вывод нагрузочного резистора с неинвертирующим входом компаратора, второй резистор, соединяющий второй вывод нагрузочного резистора с инвертирующим входом компаратора, выводы питания которого подключены к выходу выпрямительного моста, резистор обратной связи, первым выводом подключенный к неинвертирующему входу компаратора, а вторым подключенный к его выходу, резистор, соединяющий затвор полевого транзистора с выходом компаратора, цепь, подключенная параллельно к выходу выпрямительного моста и состоящая из последовательно соединенных токоограничивающего резистора, выводы анода и катода светодиода оптотрансмиттера, который используют в качестве оптрона, выводы стока и истока полевого транзистора.
На чертеже представлена схема датчика состояния ПК.
Датчик состояния ПК состоит из трансформатора тока 1, первичная обмотка которого подключена последовательно с ПК 2 (ПК 2 приведен на чертеже для пояснения работы датчика), а ко вторичной обмотке трансформатора тока 1 параллельно подключен нагрузочный резистор 3. Выводы вторичной обмотки трансформатора тока 1 и нагрузочного резистора 3 подключены ко входу выпрямительного моста 4. К выходу выпрямительного моста 4 параллельно подключены стабилитрон 5, конденсатор 6, выводы питания компаратора 7 и цепь, состоящая из последовательно соединенных токоограничивающего резистора 8, выводов анода и катода светодиода оптотрансмиттера 9, выводов стока и истока полевого транзистора 10. Первый из выводов вторичной обмотки трансформатора тока 1 подключен через первый резистор 11 к неинвертирующему входу компаратора 7, а второй из выводов вторичной обмотки трансформатора тока 1 подключен через второй резистор 12 к инвертирующему входу компаратора 7. Резистор обратной связи 13 первым выводом подключен к неинвертирующему входу компаратора 7, а другим подключен к его выходу. Выход  компаратора 7 соединен через резистор 14 с затвором полевого транзистора 10.
Устройство работает следующим образом. Для контроля состояния ПК 2 используют его ток, протекающий по первичной обмотке трансформатора тока 1. Падение напряжения на нагрузочном резисторе 3, создаваемое током вторичной обмотки трансформатора тока 1, выпрямляется диодами выпрямительного моста 4, ограничивается по амплитуде стабилитроном 5, сглаживается конденсатором 6 и используется для питания компаратора 7 и оптотрансмиттера 9. Переменное напряжения на нагрузочном резисторе 3, пропорциональное току ПК 2, поступает через резисторы 11 и 12 на входы компаратора 7. Если ПК 2 находится в открытом состоянии, то по первичной и вторичной обмоткам трансформатора тока 1 протекает ток, создающий переменное падение напряжения на нагрузочном резисторе 3. В момент перехода через ноль напряжения на нагрузочном резисторе 3, а следовательно и тока ПК 2, компаратор 7 меняет свое состояние. Резистор обратной связи 13 обеспечивает гистерезис работы компаратора 7 для повышения помехоустойчивости датчика. Таким образом, на выходе компаратора 7 появляется однополярный сигнал в виде прямоугольных импульсов с частотой питающей сети и скважностью 2, свидетельствующий о том, что ПК 2 открыт. Сигнал с выхода компаратора 7 через резистор 14 поступает на затвор полевого транзистора 10, усиливается им и подается через токоограничивающий резистор 8 на оптотрансмиттер 9. В результате на выходе оптотрансмиттера 9 появляется оптический сигнал в виде прямоугольных импульсов. Если ПК 2 находится в закрытом состоянии, то по первичной и вторичной обмоткам трансформатора тока 1 ток не протекает и падения напряжения на нагрузочном резисторе 3 не возникает. Напряжение на входах компаратора 7 не изменяется и на его выходе присутствует сигнал низкого уровня, полевой транзистор 10 закрыт, ток через оптотрансмиттер 9 не протекает и оптический сигнал на его выходе отсутствует. При открытом состоянии ПК 2 переменное напряжение на нагрузочном резисторе 3 подается на вход выпрямительного моста 4. Выпрямленное напряжение с выхода выпрямительного моста 4 подается на стабилитрон 5, который ограничивает его на уровне номинального напряжения питания компаратора 7. Пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются конденсатором 6. Далее выпрямленное, ограниченное и сглаженное напряжение используется для питания компаратора 7 и оптотрансмиттера 9.
По сравнению с известными решениями предлагаемое позволяет в одном устройстве реализовать одновременно высокую точность определения состояния ПК 2, малое энергопотребление и обеспечить гальваническую развязку силовой и измерительной цепи с максимально возможным напряжением изоляции; не применять специальный источник питания датчика, что позволяет отказаться от использования соединительных проводников и упрощает конструкцию датчика. Все это позволяет увеличить точность регулировании, повысить КПД и надежность датчика, существенно упростить конструкцию системы.