СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ СИЛОВЫМ КЛЮЧОМ
POWER SWITCH CONTROL CIRCUIT

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано в электронных ключах на основе полевых транзисторов с изолированным затвором или биполярных транзисторов с изолированным затвором.
Известны устройства с трансформаторной изоляцией схем управления от силовых транзисторов [1, 2].
Наиболее близкой к предлагаемому устройству по технической сущности является схема управления силовым ключом на МДП-транзисторе [3], содержащая генератор, трансформатор, изолированный источник питания, выпрямитель, логические элементы и три ключа.
Недостатками устройства, выбранного в качестве прототипа, является то, что у данного устройства срабатывание защиты возможно только в момент прохождения отпирающего импульса, когда ключ К1 замкнут. Когда ключ К1 разомкнут, генератор не работает, и при возникновении аварийной ситуации сигнал защиты будет отсутствовать. Кроме этого срабатывание защиты определяется по увеличению частоты генератора или уменьшению амплитуды сигнала на эмиттере транзистора 2, что очень неудобно и требует дополнительной обработки сигнала.
Целью изобретения является повышение надежности устройства путем срабатывания защиты в любой момент времени и формирование сигнала защиты в виде ТТЛ-уровня.
Поставленная цель достигается тем, что в схему управления силовым ключом на МДП-транзисторе, содержащую генератор, трансформатор, изолированный источник питания, выпрямитель, логические элементы и три ключа, дополнительно введены второй изолирующий трансформатор, еще одна схема «НЕ», схема «И», первый преобразователь, второй преобразователь, первый выпрямитель, второй выпрямитель, неизолированный второй источник питания, напряжение которого ниже, чем у изолированного источника питания, и пороговый элемент, при этом выход генератора подключен к входу первого преобразователя, а управляющий вход первого преобразователя подсоединен к клемме ВХ1, выход первого преобразователя подключен к выводам первой обмотки второго изолирующего трансформатора, выводы второй обмотки второго изолирующего трансформатора подсоединены к выходу второго преобразователя, выводы первой обмотки первого изолирующего трансформатора подсоединены к выходу генератора, вход второго преобразователя подключен к выводам второй обмотки первого изолирующего трансформатора, управляющий вход второго преобразователя подключен к клемме ВХ2, выводы третьей обмотки второго изолирующего трансформатора соединены с входами первого выпрямителя, его выходы подключены к выводам первого конденсатора, плюсовый выход первого выпрямителя подсоединен к входу порогового элемента, а его минусовый выход подключен к неизолированному общему проводу, выход порогового элемента соединен с клеммой ВЫХ1, выводы четвертой обмотки второго изолирующего трансформатора подключены к входам второго выпрямителя, а выходы второго выпрямителя соединены с выводами второго конденсатора, плюсовый выход второго выпрямителя подсоединен к одному из входов схемы «И», а его минусовый выход подключен к изолированному общему проводу, второй вход схемы «И» соединен с выходом первой схемы «НЕ», вход которой подключен к управляющему входу второго преобразователя, выход схемы «И» соединен с управляющим входом первого ключа и с входом второй схемы «НЕ», выход второй схемы «НЕ» соединен с управляющим входом второго ключа, первый вывод первого ключа подключен к плюсовому выходу изолированного источника питания, его второй вывод подсоединен к первому выводу первого резистора, первый вывод второго ключа подключен к минусовому выходу изолированного источника питания, а его второй вывод подсоединен к первому выводу второго резистора, вторые выводы первого и второго резисторов соединены с затвором силового транзистора, исток силового транзистора подключен к изолированному общему проводу, подключенному к клемме ВЫХ2 силового ключа, а сток силового транзистора подключен к клемме ВЫХ3 силового ключа.
На чертеже представлена схема устройства.
Устройство содержит генератор 1, выход которого подключен к входу первого преобразователя 2, а управляющий вход первого преобразователя 2 подсоединен к клемме ВХ1. Выход первого преобразователя 2 подключен к выводам первой обмотки 7 второго изолирующего трансформатора 6. Выводы второй обмотки 8 второго изолирующего трансформатора 6 подсоединены к выходу второго преобразователя 9. Выводы первой обмотки 4 первого изолирующего трансформатора 3 подсоединены к выходу генератора 1. Вход второго преобразователя 9 подключен к выводам второй обмотки 5 первого изолирующего трансформатора 3. Управляющий вход второго преобразователя 9 подключен к клемме ВХ2. Выводы третьей обмотки 15 второго изолирующего трансформатора 6 соединены с входами первого выпрямителя 16. Выходы первого выпрямителя 16 подключены к выводам первого конденсатора 17. Плюсовый выход первого выпрямителя 16 подсоединен к входу порогового элемента 18, а его минусовый выход подключен к неизолированному общему проводу. Выход порогового элемента 18 соединен с клеммой ВЫХ1, выводы четвертой обмотки 26 второго изолирующего трансформатора 6 подключены к входам второго выпрямителя 19, а выходы второго выпрямителя 19 соединены с выводами второго конденсатора 20. Плюсовый выход второго выпрямителя 19 подсоединен к одному из входов схемы «И» 13, а его минусовый выход подключен к изолированному общему проводу. Второй вход схемы «И» 13 соединен с выходом первой схемы «НЕ» 12, вход которой подключен к управляющему входу второго преобразователя 9. Выход схемы «И» 13 соединен с управляющим входом первого ключа 21 и с входом второй схемы «НЕ» 14. Выход второй схемы «НЕ» 14 соединен с управляющим входом второго ключа 22. Первый вывод первого ключа 21 подключен к плюсовому выходу изолированного источника питания 11, его второй вывод подсоединен к первому выводу первого резистора 23. Первый вывод второго ключа 22 подключен к минусовому выходу изолированного источника питания 11, а его второй вывод подсоединен к первому выводу второго резистора 24. Вторые выводы первого 23 и второго 24 резисторов соединены с затвором силового транзистора 25. Исток силового транзистора 25 подключен к изолированному общему проводу, подключенному к клемме ВЫХ2 силового ключа, а сток силового транзистора 25 подключен к клемме ВЫХ3 силового ключа.
Устройство работает следующим образом.
Генератор 1 вырабатывает переменное напряжение прямоугольной формы повышенной частоты (например, несколько сотен килогерц). Это напряжение поступает на вход преобразователя 2, преобразующего постоянное напряжение неизолированного источника питания 10 в переменное, и синхронизирует его работу. На управляющий вход преобразователя 2 с клеммы ВХ1 поступают сигналы управления на отпирание и запирание силового ключа (например, логическая «1» или «0»). При наличии отпирающего сигнала на клемме ВХ1, с выхода преобразователя 2 переменное напряжение поступает на обмотку 7 трансформатора 6. При отсутствии отпирающего сигнала на клемме ВХ1, переменное напряжение с выхода преобразователя 2 на обмотку 7 трансформатора 6 не поступает. Таким образом, к обмотке 7 трансформатора 6 прикладывается переменное напряжение повышенной частоты, промодулированное сигналом на отпирание и запирание силового ключа. С обмотки 26 трансформатора 6 гальванически развязанное напряжение выпрямляется выпрямителем 19 и фильтруется конденсатором 20. В результате этого на выходе выпрямителя 19 формируется гальванически развязанное напряжение управления логического уровня на отпирание и запирание силового ключа. На клемму ВХ2 поступает сигнал защиты (по току или напряжению), разрешающий (логический «0») или запрещающий (логическая «1») отпирание силового ключа. При разрешающем сигнале на клемме ВХ2, логические ячейки 12 и 13 пропускают напряжение управления с выхода выпрямителя 19 на ключи 21 и 22. При отпирающем сигнале на выходе выпрямителя 19, логическая «1» с выхода логической ячейки 13 включает ключ 21, который подключает плюс изолированного источника питания 11 через токоограничивающий резистор 23 к затвору силового транзистора 25, тем самым включая его. При запирающем сигнале на выходе выпрямителя 19, логический «0» с выхода логической ячейки 13 через логическую ячейку 14 включает ключ 22, который подключает минус изолированного источника питания 11 через токоограничивающий резистор 24 к затвору силового транзистора 25, тем самым выключая его. При запрещающем сигнале на клемме ВХ2 на выходе логической ячейки 13 устанавливается логический «0», а на выходе логической ячейки 14 устанавливается логическая «1» независимо от сигнала управления с выпрямителя 19. В результате этого ключ 22 будет включен, а силовой транзистор 25 будет выключен. Кроме этого при наличии отпирающего сигнала на клемме ВХ1 напряжение с обмотки 7 трансформатора 6 трансформируется в обмотку 15, выпрямляется выпрямителем 16 и фильтруется конденсатором 17. Далее это напряжение поступает на вход порогового элемента 18, однако его уровень недостаточен для его срабатывания, и на выходной клемме ВЫХ1 порогового элемента 18 будет логический «0». Переменное напряженнее выхода генератора 1 поступает также на обмотку 4 изолирующего трансформатора 3. Гальванически развязанное напряжение с обмотки 5 трансформатора 3 поступает на вход преобразователя 9, преобразующего постоянное напряжение изолированного источника питания 11 в переменное, и синхронизирует его работу. На управляющий вход преобразователя 9 с клеммы ВХ2 поступает сигнал защиты (по току или напряжению), разрешающий (логический «0») или запрещающий (логическая «1»). При разрешающем сигнале на клемме ВХ2 преобразователь 9 не работает. При запрещающем сигнале защиты на клемме ВХ2 начинает работать преобразователь 9 и переменное напряжение с его выхода поступает на обмотку 8 изолирующего трансформатора 6. Это напряжение трансформируется в обмотку 15 трансформатора 6, выпрямляется выпрямителем 16 и фильтруется конденсатором 17. Далее это напряжение поступает на вход порогового элемента 18. Так как напряжение изолированного источника питания 11 выше, чем напряжение неизолированного источника питания 10, напряжение на входе порогового элемента 18 станет больше его порога срабатывания и на выходной клемме ВЫХ1 порогового элемента 18 появится логическая «1». Сигнал с клеммы ВЫХ1 можно подать на блокировку сигналов управления и сигнализацию срабатывания защиты.
Литература
1. Патент РФ на изобретение №2257007, Н03К 17/61, 2004.
2. Патент РФ на полезную модель №27765, H04L 25/49, 2002.
3. Патент РФ на изобретение №2384940, Н03К 17/691, 2008.