Схема управления силовым ключом на основе БТИЗ или МДП-транзисторов
POWER SWITCH CONTROL CIRCUIT BASED ON IGBT OR MIS TRANSISTORS

Изобретение относится к области электротехники, включая импульсную силовую преобразовательную технику, и предназначено для использования в различных бесконтактных коммутационных устройствах преобразования и регулирования электроэнергии. Вопросы проектирования схем управления силовыми ключами, которые называют драйверами, широко освещены в технической литературе  [1-5].
«
Известны драйверы силовых ключей на МДП-транзисторах («Силовой ключ на МДП-транзисторе» патент RU 2152127,  Бюл. № 18 от 27.06.2000; «Силовой ключ на МДП-транзисторе» патент RU 2524853, Бюл. № 14 от 20.05.2014;Силовой ключ на МДП-транзисторе» патент RU 2337473, Бюл. № 30 от 27.10.2008), содержащие силовые ключи на МДП-транзисторах, трансформаторы, биполярные транзисторы и диоды. Общими недостатками указанных известных устройств являются возможность ложных отпираний и запираний силового МДП-транзистора на этапах переключения при повышенном напряжении питания и больших скоростях переключения, возможность возникновения опасных перенапряжений на затворе, а также ненадежное удержание силового МДП-транзистора в запертом состоянии при значительных паузах.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению  является принятый за прототип  силовой ключ на МДП-транзисторе, содержащий изолирующий двухобмоточный трансформатор, силовой ключ, первый и второй комплементарные биполярные транзисторы (см. патент RU 2337473. Опубликовано: 27.10.2008, Бюл. № 30).
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключаются в повышении эксплуатационной надежности работы силового ключа на основе БТИЗ или МДП-транзисторов.
Указанная задача решаетсяза счет того, что  схема управления силовым ключом на основе БТИЗ или МДП–транзисторов, содержащая изолирующий двухобмоточный трансформатор, силовой ключ, первый и второй комплементарные биполярные транзисторы, дополнительно содержит однофазный мостовой выпрямитель, включающий первый и второй диоды с объединенными катодами и первый и второй стабилитроны с объединенными анодами, причем вторичная обмотка трансформатора подключена в диагональ мостового выпрямителя по переменному току, конденсатор, включенный параллельно выходным клеммам мостового выпрямителя, третий биполярный транзистор n-p-n типа, шунтирующий МДП–транзистор, причем первый и второй комплементарные транзисторы общим эмиттером подключены к затвору шунтирующего МДП-транзистора, коллектор первого комплементарного транзистора n-p-n типа подключен к положительной выходной клемме мостового выпрямителя, а коллектор второго комплементарного транзистора p-n-p типа подключен к отрицательной выходной клемме мостового выпрямителя, базы первого и второго комплементарных транзисторов объединены и посредством резистора подключены к положительной выходной клемме мостового выпрямителя, параллельно вторичной обмотке трансформатора подключены два последовательно соединенных резистора, общая точка которых соединена с базой третьего биполярного транзистора, коллектор которого соединен с общей базой первого и второго комплементарных транзисторов, а его эмиттер соединен с выходным концом вторичной обмотки трансформатора, сток шунтирующего МДП-транзистора соединен с затвором силового ключа, а также посредством резистора соединен с началом вторичной обмотки трансформатора, исток шунтирующего МДП-транзистора соединен с отрицательной выходной клеммой мостового выпрямителя и отрицательным электродом силового ключа, между отрицательным электродом и затвором силового ключа установлен резистор, первичная обмотка трансформатора подключена к устройству управления.
Техническим результатом использования данного изобретения является повышение эксплуатационной надежности работы силового ключа на основе БТИЗ или МДП-транзисторов за счет исключения ложных переключений силового транзисторного ключа при больших скоростях переключения и повышенных напряжениях питания, ограничения на допустимом уровне импульсных перенапряжений на затворе силового транзисторного ключа, обеспечения надежного удержания силового транзистора в запертом состоянии при длительных паузах, а также исключения возможности возникновения сквозных токов в мостовых и полумостовых схемах, в которых могут применяться рассматриваемые силовые транзисторные ключи, за счет наличия паузы в управляющих импульсах.
Технический результат обеспечивается тем, что в предлагаемой схеме используется двухполупериодный мостовой выпрямитель на двух диодах и двух стабилитронах, подключенный ко вторичной обмотке трансформатора. Выпрямитель, по существу, управляет импульсным усилителем, выполненным на трех биполярных транзисторах, обеспечивает подзарядку конденсатора, а также благодаря наличию стабилитронов ограничивает напряжение на затворе силового транзистора, то есть ограничивает коммутационные перенапряжения, обусловленные наличием индуктивностей рассеяния трансформатора. В свою очередь импульсный усилитель управляет затвором шунтирующего МДП-транзистора, осуществляя его быстрое запирание во время импульса (силовой транзистор открыт) и быстрое отпирание во время паузы (силовой транзистор закрыт). Шунтирующий МДП-транзистор обеспечивает быстрое запирание силового транзистора и его надежное удержание в этом состоянии во время паузы благодаря малому  остаточному сопротивлению в открытом состоянии. Входная цепь импульсного усилителя подключена ко вторичной обмотке трансформатора таким образом, что дает возможность запираться шунтирующему МДП-транзистору и, как следствие, отпираться силовому транзистору только при наличии положительного импульса напряжения на вторичной обмотке. В остальных случаях обеспечивается либо быстрое запирание силового транзистора, либо его надежное  удержание в закрытом состоянии. Это исключает возможность ложных переключений. Конденсатор поддерживает шунтирующий МДП-транзистор в открытом состоянии на протяжении всего времени паузы благодаря высокому входному сопротивлению транзистора и, следовательно, малому току разряда.
На фиг. 1 представлена электрическая схема заявляемого устройства. Схема содержит изолирующий двухобмоточный трансформатор 2, силовой ключ 19, первый 12 и второй 13 комплементарные биполярные транзисторы, однофазный мостовой выпрямитель, включающий первый 5 и второй 6 диоды с объединенными катодами и первый 7 и второй 8 стабилитроны с объединенными анодами, вторичная обмотка 4 трансформатора 2 подключена в диагональ мостового выпрямителя по переменному току, конденсатор 16, включенный параллельно выходным клеммам мостового выпрямителя, третий биполярный транзистор 11 n-p-n типа, шунтирующий МДП–транзистор 17, первый 12 и второй 13 комплементарные транзисторы общим эмиттером подключены к затвору шунтирующего МДП-транзистора 17, коллектор первого комплементарного транзистора 12 n-p-n типа подключен к положительной выходной клемме мостового выпрямителя, а коллектор второго комплементарного транзистора 13    p-n-p типа подключен к отрицательной выходной клемме мостового выпрямителя, базы первого 12 и второго 13 комплементарных транзисторов объединены и посредством резистора 14 подключены к положительной выходной клемме мостового  выпрямителя, параллельно вторичной обмотке 4 трансформатора 2 подключены два последовательно соединенных резистора 9 и 10, общая точка которых соединена с базой третьего биполярного транзистора 11, коллектор которого соединен с общей базой первого 12 и второго 13 комплементарных транзисторов, а его эмиттер соединен с выходным концом вторичной обмотки 4 трансформатора 2, сток шунтирующего МДП-транзистора 17 соединен с затвором силового ключа 19, а также посредством резистора 15 соединен с началом вторичной обмотки 4 трансформатора 2, исток шунтирующего МДП-транзистора 17 соединен с отрицательной выходной клеммой мостового выпрямителя и отрицательным электродом силового ключа 19, между отрицательным электродом и затвором силового ключа 19 установлен резистор 18, первичная обмотка 3 трансформатора 2 подключена к устройству управления 1.
Схема управления силовым ключом на основе БТИЗ или МДП–транзисторов работает следующим образом. Рассмотрим процесс отпирания силового транзистора 19. К концу предыдущего этапа работы, когда силовой транзистор 19 был закрыт, в открытом состоянии находились МДП-транзистор 17, шунтирующий переход затвор-эмиттер силового транзистора 19 (в качестве силового транзистора  на фиг.1 использован БТИЗ транзистор), и биполярный транзистор 12, обеспечивающий открытое состояние МДП-транзистора 17. Конденсатор 16 при этом подзаряжен на предыдущих этапах работы и имеет положительную полярность на верхней обкладке и отрицательную – на нижней. На базу комплементарного транзистора 12 n-p-n типа подается отпирающее положительное смещение от конденсатора 16. Для отпирания силового транзистора 19 на первичную обмотку 3 трансформатора 2 от устройства управления 1 поступает положительный импульс, который трансформируется на вторичную обмотку 4 трансформатора 2. При этом одновременно протекают следующие процессы:
- продолжается подзарядка конденсатора 16 по цепи: начало вторичной обмотки 4 трансформатора 2, диод 5, конденсатор 16, стабилитрон 8, конец вторичной обмотки 4 трансформатора 2;
- происходит отпирание биполярного транзистора 11, базовый ток которого течет по цепи: начало вторичной обмотки 4 трансформатора 2, резистор 9, переход база-эмиттер транзистора 11, конец вторичной обмотки 4 трансформатора 2. При этом ток коллектора транзистора 11 замыкается в контуре: начало вторичной обмотки 4 трансформатора 2, диод 5, резистор 14, переход коллектор-эмиттер транзистора 11, конец вторичной обмотки 4 трансформатора 2. На базы первого 12 и второго 13 комплементарных транзисторов подается отрицательное смещение с резистора 14. При этом комплементарный транзистор 13 p-n-p типа открывается и его ток базы замыкается в контуре: начало вторичной обмотки 4 трансформатора 2, диод 5, переход коллектор-эмиттер транзистора 12, переход эмиттер-база транзистора 13, переход коллектор-эмиттер транзистора 11, конец вторичной обмотки 4 трансформатора 2. Отпирание транзистора 13 вызывает разряд емкости затвор-исток МДП-транзистора 17, который при этом запирается, прекращая шунтирование перехода затвор-эмиттер силового транзистора 19. При этом происходит отпирание силового транзистора 19 по цепи: начало вторичной обмотки 4 трансформатора 2, резистор 15, затвор силового транзистора 19, эмиттер силового транзистора 19, стабилитрон 8, конец вторичной обмотки 4 трансформатора 2. Комплементарный транзистор12 при этом заперт.
При подаче на первичную обмотку 3 трансформатора 2 нулевого импульса (пауза) от устройства управления 1 на вторичной обмотке 4 трансформатора 2 также формируется нулевой импульс, и начинают протекать следующие процессы:
- транзистор 11 запирается, пассивное запирание которого обеспечивается делителем напряжения на резисторах 9 и 10. В результате запирания транзистора 11 активно запирается  транзистор 13 p-n-p типа положительным напряжением на базе, создаваемым конденсатором 16. При этом отпирается транзистор  12, ток базы которого протекает по цепи: плюс верхней обкладки конденсатора 16, резистор 14, переход база-эмиттер транзистора 12, переход затвор-исток МДП-транзистора 17, минус нижней обкладки конденсатора 16;
- одновременно происходит быстрое отпирание МДП-транзистора 17 вследствие зарядки емкости затвор-исток по цепи: плюс верхней обкладки конденсатора 16, переход коллектор-эмиттер транзистора 12, переход затвор-исток МДП-транзистора 17, минус нижней обкладки конденсатора 16. В результате происходит быстрое запирание силового транзистора 19 вследствие разряда его затворной емкости по цепи: затвор транзистора 19, переход сток-исток МДП-транзистора 17, эмиттер транзистора 19.
Во время паузы биполярный транзистор 12 и МДП-транзистор 17 остаются открытыми благодаря напряжению на конденсаторе 16, который разряжается очень медленно вследствие высокого входного сопротивления МДП-транзистора 17.
При подаче на первичную обмотку 3 трансформатора 2 отрицательного импульса от устройства управления 1 на вторичной обмотке 4 трансформатора 2 также формируется отрицательный импульс, и начинают протекать следующие процессы:
- силовой транзистор 19 продолжает оставаться закрытым, однако  биполярный транзистор 11 запирается при этом активно по цепи: конец вторичной обмотки 4 трансформатора 2, переход эмиттер-база транзистора11, резистор 9, начало вторичной обмотки 4 трансформатора 2;
- происходит подзарядка конденсатора 16 по цепи: конец вторичной обмотки 4 трансформатора 2, диод 6, конденсатор 16,  стабилитрон 7, начало вторичной обмотки 4 трансформатора 2.
Высокоомный резистор 18 предотвращает ложное отпирание силового транзистора 19 при подаче на схему напряжения питания.
Предлагаемое устройство в отличие от прототипа исключает ложные  переключения силового транзистора при повышенных напряжениях питания и высоких частотах переключения, обусловленные большими скоростями изменения напряжения на транзисторе. Кроме того исключаются  опасные перенапряжения на затворе силового транзистора, обусловленные перезарядкой паразитных межвитковых емкостей и паразитными индуктивностями рассеяния обмоток трансформатора. Устройство обеспечивает надежное удержание силового транзистора в запертом состоянии при больших временах паузы.
Был изготовлен опытный образец на транзисторах 2Т664А91, 2Т665А91, 2П769А9, диодах 2Д717А9, стабилитронах 2С515А-1, конденсаторе К10-84В, трансформаторе на сердечнике ГМ412В К26х12х10, W1=W2= 200. При управлении импульсами 15 В с частотой 20 кГц силовой ключ в мостовой схеме коммутировал напряжение 270 В при токе нагрузки 80 А с длительностью фронта 100 нс. Задержка на включение составляла не более 0,6 мкс, а на выключение – не более 0,4 мкс.
По мнению авторов, предлагаемая  схема управления силовым ключом на основе БТИЗ или МДП–транзисторов  может быть использована в различных бесконтактных коммутационных устройствах преобразования и регулирования электроэнергии в качестве надежного  драйвера как в устройствах наземного оборудования, так и на подвижных объектах, включая авиационно-космическую технику, а совокупность его существенных признаков необходима и достаточна для достижения заявляемого технического результата.
Источники информации
1. Драйверы CT-Concept для силовых IGBT и MOSFET – модулей на базе нового ядра SCALE-2. Силовая электроника, 2009, № 5, стр. 34-39.
2. Волович Г. Драйверы силовых ключей. Современная электроника, 2007, № 8, стр. 32-40.
3. MORNSUN Guangzhou Science & Technology Co.,,Ltd. reserves the copyright and right of final interpretation. 2019, 11,11-A/4, page 2 of 5.
4. Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. Москва,  Издательский дом «Додэка-ХХI», 2001, стр.110.
5. Иоффе Д., Ридли Р. Советы по управлению затвором мощного полевого транзистора.//Компоненты и технологии, 2008, № 8, стр.120-122.
6. «Силовой ключ на МДП-транзисторе», патент RU 2152127,  Бюл. № 18 от 27.06.2000.
7. «Силовой ключ на МДП-транзисторе», патент RU 2524853, Бюл. № 14 от 20.05.2014.
«
8. Силовой ключ на МДП-транзисторе», патент RU 2337473, Бюл. № 30 от 27.10.2008.