СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ СИЛОВЫМ КЛЮЧОМ НА МДП-ТРАНЗИСТОРЕ
CONTROL CIRCUIT FOR MIS TRANSISTOR BASED POWER SWITCH

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в электронных ключах, преимущественно на основе полевых транзисторов и биполярных транзисторов с изолированным затвором.
Известны устройства с трансформаторной изоляцией схем управления от силовых транзисторов («Схемотехника функциональных узлов источников вторичного электропитания», Б.С.Сергеев, Москва, Радио и Связь, 1992 г., стр.45).
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является устройство управления МДП-транзистором (патент РФ №2152127), содержащее два транзистора одинаковой проводимости, переходы база - эмиттер которых зашунтированы резисторами, а переходы коллектор - эмиттер обратными диодами, между базами которых включен резистор, эмиттерами подключены к вторичной обмотке трансформатора, а коллекторами - к переходу затвор - исток МДП-транзистора.
Недостатками устройства, выбранного в качестве прототипа, являются:
1. Необходимость формирования импульсов управления силовым транзистором с большой скважностью, что ограничивает область применения устройства, так как снижает максимально возможную частоту переключения ключа.
2. Низкая помехозащищенность ключа, так как в паузе между короткими управляющими импульсами затвор силового транзистора оказывается зашунтированным большим сопротивлением обратно-смещенного диода и параллельно диоду обратно-смещенным переходом коллектор - база транзистора, что снижает устойчивость ключа к внешним помехам, а следовательно, надежность ключа.
3. Отсутствие гальванически изолированной от схемы управления схемы защиты, что также снижает надежность.
4. Невозможность управления мощными транзисторами с большим зарядом затвора, так как для формирования импульсов управления величиной в несколько ампер необходимо значительно увеличить габариты разделительного (изолирующего) трансформатора, что увеличит габариты всего устройства и соответственно ограничит область применения.
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение надежности устройства.
Поставленная цель достигается тем, что в схему управления силовым ключом на МДП-транзисторе, содержащую силовой транзистор и изолирующий трансформатор, согласно изобретению дополнительно введены управляемый генератор, первый конденсатор, второй конденсатор, источник питания, первый резистор, второй резистор, третий резистор, датчик тока, выпрямитель, первый ключ, второй ключ, третий ключ, схема ИЛИ, схема НЕ, схема защиты и изолированный от схемы управления источник питания, при этом ключ схемы управления первым выводом соединен с эмиттером транзистора управляемого генератора, анодом диода и общим выводом первой и второй обмоток изолирующего трансформатора, второй вывод первой обмотки соединен с первым выводом первого конденсатора, второй вывод которого соединен с коллектором транзистора управляемого генератора и первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом второго резистора и с плюсом источника питания, второй вывод второго резистора соединен с базой транзистора управляемого генератора, катодом диода и первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого соединен со вторым выводом второй обмотки изолирующего трансформатора, третья обмотка изолирующего трансформатора соединена с выпрямителем, выход которого соединен с управляющим входом первого ключа, первый выход которого соединен с плюсом изолированного источника, второй выход первого ключа соединен с первым выводом первого резистора затвора, второй вывод которого соединен с затвором силового транзистора и с первым выводом второго резистора затвора, второй вывод которого соединен с первым выходом второго ключа, второй выход которого соединен с минусом изолированного источника, управляющий вход второго ключа соединен с выходом схемы ИЛИ, первый вход которой соединен с выходом схемы НЕ, вход которой соединен с выходом выпрямителя и управляющим входом первого ключа, второй вход схемы ИЛИ соединен с выходом схемы защиты и управляющим входом третьего ключа, который первым и вторым выходами соединен с четвертой обмоткой изолирующего трансформатора, вход схемы защиты соединен с выходом датчика тока, первый вход которого соединен с истоком силового транзистора, а второй вход - с клеммой ВЫХ 2, сток силового транзистора соединен с клеммой ВЫХ 1 силового ключа.
В указанном устройстве все признаки, входящие в отличительную часть формулы, используются каждый в отдельности по своему назначению. Однако их совокупность в указанной взаимосвязи обеспечивает степень надежности устройства и функциональные возможности, которые не известны из уровня техники (устройств аналогичного назначения), а именно:
1) благодаря применению управляемого генератора обеспечивается широкий частотный диапазон работы ключа от нуля до нескольких десятков килогерц, так как сигнал включения со схемы управления модулируется высокочастотными импульсами управляемого генератора до 1 МГц, что расширяет функциональные возможности устройства;
2) благодаря применению изолированного от схемы управления источника питания и двух ключей, которые подключают плюс источника к затвору силового транзистора при включении и минус источника при выключении, причем импульс включения формируется с помощью управляемого генератора, а импульс выключения формируется автоматически при выключении управляемого генератора обеспечивается возможность управления мощными транзисторами с большим зарядом затвора, а также обеспечивается помехозащищенность силового ключа, так как затвор силового транзистора во включенном и выключенном состоянии постоянно подключен к источнику с малым внутренним сопротивлением;
3) благодаря наличию изолированной от схемы управления схемы защиты обеспечивается возможность применения датчиков тока, включенных в высоковольтную цепь без применения дополнительных средств изоляции, при этом для передачи сигнала срабатывания защиты используется тот же трансформатор, что и для передачи сигнала включения силового ключа, что расширяет функциональные возможности устройства;
4) благодаря применению в управляемом генераторе отрицательной обратной связи и включению последовательно с обмотками 6 и 7 конденсаторов исключается подмагничивание сердечника трансформатора, что позволяет значительно снизить его габариты и соответственно габариты всего устройства, что расширяет функциональные возможности устройства.
На чертеже представлена схема устройства.
Устройство управления ключом содержит ключ схемы управления 1, который соединен с эмиттером транзистора 2 управляемого генератора 3 и минусом источника питания схемы управления 4.
Транзистор 2 соединен эмиттером с анодом диода 5 и средним выводом обмоток 6 и 7 изолирующего трансформатора 8. Второй вывод обмотки 6 соединен с первым выводом конденсатора 9, второй вывод которого соединен с коллектором транзистора 2 и первым выводом резистора 10, второй вывод которого соединен с первым выводом резистора 11 и плюсом источника 4.
Второй вывод резистора 11 соединен с базой транзистора 2 катодом диода 5 и первым выводом резистора 12.
Вторым выводом резистор 12 соединен с первым выводом конденсатора 13, второй вывод которого соединен со вторым выводом обмотки 7 изолирующего трансформатора 8, который своей обмоткой 14 соединен со входом выпрямителя 15, который своим выходом соединен со входом ключа 16 и входом схемы НЕ 17. Первый выход ключа 16 соединен с плюсом изолированного от схемы управления источника 18, а второй выход ключа 16 соединен с первым выводом резистора 19. Второй вывод резистора 19 соединен с затвором транзистора 20 и первым выводом резистора 21, второй вывод которого соединен с первым выходом ключа 22, второй выход которого соединен с минусом источника 18, а вход управления ключа 22 соединен с выходом схемы ИЛИ 23, первый вход которой соединен с выходом схемы НЕ 17, а второй вход с выходом порогового элемента с задержкой на выключение 24 и входом ключа 25, выходы которого соединены с обмоткой 26 изолирующего трансформатора 8. Вход порогового элемента с задержкой на выключение 24 соединен с выходом датчика тока 27, который включен в цепь между истоком транзистора 19 и клеммой ВЫХ2 силового ключа.
Сток силового транзистора 19 соединен с клеммой ВЫХ1 силового ключа.
Устройство работает следующим образом.
При замыкании ключа 1, который может быть, например, выходом с открытым коллектором микросхемы, например 1114ЕУЗ, напряжение с источника питания 4 поступает на управляемый генератор 3, при этом конденсатор 9 начинает заряжаться через резистор 10 и обмотку 6 изолирующего трансформатора 8, сердечник которого может быть выполнен на феррите М2000НМ к10*6*3 и открытый ключ 1, при этом на обмотке 7 возникает запирающий импульс, который через конденсатор 13 и резистор 12 поступает на базу транзистора 2. При этом конденсатор 13 начинает заряжаться по цепи: общий вывод обмоток 6 и 7, диод 5, резистор 12, конденсатор 13, второй вывод обмотки 7. По мере заряда конденсатора 13 запирающее напряжение на базе транзистора 2 уменьшается. Через время, определяемое параметрами резистора 12 и конденсатора 13, происходит отпирание транзистора 2. При этом конденсатор 9 начинает разряжаться через переход коллектор - эмиттер открывающегося транзистора 2 и обмотку 6 изолирующего трансформатора 8. При этом на обмотке 7 возникает отпирающий импульс, который поступает на базу транзистора 2. При этом происходит перезаряд емкости 13. Время перезаряда определяет время открытого состояния транзистора 2. Далее процесс переключения транзистора 2 повторяется: на обмотке 14 трансформатора 8 появляются высокочастотные импульсы, которые, выпрямляясь выпрямителем 15, открывают ключ 16, при этом входная емкость ключа, выполненного, например, на биполярном n-p-n-транзисторе играет роль фильтра. Через ключ 16 плюс гальванически изолированного от схемы управления источника 18, выполненного, например, в виде однотактного конвертора, поступает через резистор 19, номинал которого определяет время включения силового транзистора 20, например высоковольтного транзисторного модуля М2ТКИ-200-12.
При выключении ключа 1 схемы управления происходит выключение управляемого генератора 3, при этом на выходе схемы НЕ 17 появляется положительный сигнал, который через схему ИЛИ 23 поступает на вход ключа 22, который может быть биполярным n-р-n-транзистором. Ключ 22 включается, при этом минус изолированного от схемы управления источника 18 поступает на затвор силового транзистора через резистор 21, номинал которого определяет время выключения силового транзистора.
Схема защиты работает следующим образом.
При превышении током нагрузки заданного уровня на выходе порогового элемента 24 со встроенной задержкой на выключение, который своим входом соединен с выходом датчиком тока 27, появляется сигнал, включающий через схему ИЛИ ключ 22 и тем самым запирающий силовой транзистор 20, а также включающий ключ 25, который замыкает накоротко обмотку 26 изолирующего трансформатора 8, при этом частота генерации генератора 3 возрастет, а амплитуда импульсов на эмиттере транзистора 2 управляющего генератора 3 снижается. Таким образом по амплитуде импульсов определяется аварийное состояние силового транзистора или перегрузка ключа по току. В соответствии с этим схема управления ключом формирует алгоритм аварийного отключения силового ключа, а также других ключей, если данный ключ, например, входит в состав мостового или трехфазного инвертора.
Указанный в описании технический результат подтвержден в опытном образце заявляемого устройства.