ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ КЛЮЧ
HIGH-VOLTAGE TRANSISTOR SWITCH

Область техники
Изобретение относится к области приборостроения и может использоваться для коммутации высокого напряжения. Предлагаемый транзисторный высоковольтный ключ может использоваться в цепях управления высоковольтным оборудованием, в том, числе высоковольтными испытательными установками и устройствами, в цепях питания и управления лучевыми исследовательскими и технологическими установками, а также в системах электропитания СВЧ генераторных приборов и др.
Уровень техники
Из уровня техники известен высоковольтный транзисторный переключатель (см. [1] авторское свидетельство СССР №738166, МПК Н03К 17/0424, опубл. 30.05.1980), содержащий переключатель из N последовательно соединенных транзисторных ключей, управляющий транзисторный ключ подключен к источнику запускающего сигнала, а выход N-го ключа – к нагрузке, при этом входы других транзисторных ключей подключены к делителю напряжения, подсоединенного одним выводом к источнику питания, а другим – к общей шине, формирователь импульсов, вход формирователя импульсов через дифференцирующую цепочку подключен к коллектору управляющего ключа, а выход формирователя – к входу переключателя.
Из уровня техники известен высоковольтный транзисторный переключатель (см. [2] авторское свидетельство СССР №767969, МПК Н03К 17/60, опубл. 30.09.1980), содержащий N последовательно соединенных транзисторных ключей, управляющий транзисторный ключ подключен к источнику запускающего сигнала, а выход N-го ключа к нагрузке, формирователь импульсов, выход формирователя подключен к входу переключателя, а также резистивный делитель напряжения, обеспечивающий запирание транзисторных ключей, при этом вход дифференцирующего узла подключен к коллектору транзистора управляющего ключа, а вход других транзисторных ключей подключены к делителю напряжения, подсоединенному одним выводом к источнику питания, а другим к общей шине.
Из уровня техники известен высоковольтный переключатель (см. [3] авторское свидетельство СССР №1133662, МПК Н03К 17/08, опубл. 07.01.1985), содержащий N последовательно соединенных транзисторов, зашунтированных первыми резисторами, N первых диодов, включенных встречно-параллельно база-эмиттерным переходам соответствующих транзисторов и зашунтированных вторыми резисторами, N-1 третьих резисторов и источник управляющего сигнала, подключенный выходом к входу первого транзистора, при этом дополнительно введены четвертый и пятый резисторы, стабилитрон и дополнительный транзистор с проводимостью, противоположной проводимости транзисторов переключателя.
В схемах ключей, описанных в [1], [2] и [3] источниках, использованы N последовательно соединённых транзисторных ключей. Базы транзисторов соединены с делителем напряжения, имеющим N-1 отводов. Нижний транзистор своей базой соединён с источником управляющего сигнала. Таким образом один (нижний) ключ управляется по базе, а остальные - по эмиттеру.
Недостатками такой схемы являются, во-первых, гальваническая связь управляющей цепи и цепи высокого напряжения, во-вторых – трудность обеспечения высокой скорости переключения ключа, так как транзисторы в такой схеме переключаются последовательно один за другим.
Из уровня техники известен электронный ключ для высоковольтной системы электропитания (см. [4] патент РФ №2315387, МПК H01J 37/248, опубл. 20.01.2008), содержащий высокочастотный трансформатор, первый и второй транзисторы, первый диод, причем одним из выводов вторичной обмотки трансформатора подключен к истоку первого транзистора, а другой вывод к истоку второго транзистора, при этом анод первого диода соединен с истоком первого транзистора, а исток второго транзистора является входом электронного ключа, а сток второго транзистора является выходом электронного ключа, при этом в него дополнительно введены второй диод, третий диод, стабилитрон, первый и второй резисторы и конденсатор.
Из уровня техники известен электронный ключ для высоковольтного импульсного модулятора со стабилизацией амплитуды импульсов (см. [5] патент РФ №2339158, МПК H03K 3/57, H02M 3/07, опубл. 20.11.2008), содержащий первый и второй транзисторы, первый диод, при этом анод первого диода соединен с истоком первого транзистора, причем исток второго транзистора является входом электронного ключа, а сток второго транзистора является выходом электронного ключа, при этом в него введены второй диод, третий диод, стабилитрон, первый и второй резисторы и конденсатор, при этом первый транзистор, первый и второй диод и первый резистор образуют схему управления ключом.
В схемах ключей, описанных в патентах [4] и [5], также используются N транзисторных ключей, соединённых последовательно. Входы (затворы) транзисторных ключей подключены к вторичным обмоткам управляющего трансформатора через согласующие и защитные элементы. Такая схема позволяет осуществлять гальваническую развязку цепей управления и высоковольтных цепей, а также осуществлять лучшую одновременность включения и выключения транзисторов ключа. Это позволяет получить большее быстродействие, чем в схемах, описанных в [1], [2] и [3] источниках.
Недостатком ключей из патентов [4] и [5] является высокая сложность и, следовательно, высокая стоимость изготовления управляющего трансформатора, так как конструкция его предусматривает наличие N вторичных обмоток, каждая из которых находится под различным по величине высоким напряжением, что требует использования большого объёма изолирующих материалов.
Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению по совокупности признаков, принятым за прототип, является модулятор высокой мощности с трансформаторной связью (см. [6] US6900557B1, МПК H02M 1/088; H03K 17/10, опубл. 31.05.2005). Модулятор включает трансформатор, содержащий первичную и N вторичных обмоток. Модулятор также включает в себя N транзисторов, каждый из которых связан с соответствующей вторичной обмоткой и имеет входные и выходные клеммы и клемму управления. Управляющий вывод каждого транзистора электрически связан с соответствующим выходным выводом одной из вторичных обмоток. Каждый из N транзисторов одновременно переключается входным сигналом, подаваемым на первичную обмотку.
Недостатки прототипа аналогичны недостаткам по патентам [4] и [5], заключающиеся в высокой сложности и, следовательно, высокой стоимости изготовления управляющего трансформатора. Конструкция его предусматривает наличие N вторичных обмоток, каждая из которых находится под различным по величине высоким напряжением, что требует использования в конструкции большого объёма изолирующих материалов. Кроме того, это приводит к увеличению индуктивности рассеивания для вторичных обмоток, что приводит к искажению сигналов управления на входах ключей, а это может привести к ухудшению одновременности их срабатывания. Неодновременность срабатывания ключей приводит к снижению надёжности.
Сущность изобретения
Технической задачей, стоящей перед изобретением, является устранение недостатков прототипа. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение надёжности, повышение быстродействия и снижению стоимости высоковольтного транзисторного ключа.
Согласно изобретению, техническая задача решается, а технический результат достигается за счет того, что высоковольтный транзисторный ключ содержит N последовательно соединенных транзисторов, N управляющих трансформаторов, включённых о схеме трансформатора тока. Коллектор и эмиттер каждого транзистора зашунтирован выравнивающим резистором и защитным диодом. К базе (затвору) каждого транзистора подключён выход схемы управления ключом (ограничительный резистор), второй вывод которого подключён к эмиттеру каждого транзистора, через сглаживающую цепочку и защитный диод. Входы схемы управления ключом соединены с вторичной обмоткой трансформатора, к первичной обмотке управляющих трансформаторов подключена схема формирователя управляющего сигнала. Управляющие трансформаторы включены по схеме трансформаторов тока, причём первичная обмотка выполнена в виде отрезка высоковольтного кабеля общего для всех N трансформаторов. К выводам сглаживающей цепочки подключены выходы выпрямительных мостов, входы которых соединены с вторичной обмоткой трансформатора.
К первичной обмотке управляющих трансформаторов, которая является общей для всех N трансформаторов, подключён ограничивающий резистор и усилитель управляющего сигнала, которые представляют собой схему формирователя управляющего сигнала.
Применение в предлагаемом высоковольтном транзисторном ключе в отличие от прототипа, N управляющих трансформаторов, включённых по схеме трансформатора тока, позволяет добиться увеличения быстродействия и одновременного открывания и закрывания транзисторов ключа, что приводит к увеличению надёжности устройства.
Кроме того, использование в качестве первичной обмотки трансформаторов тока высоковольтного кабеля, продетого последовательно через сердечники всех управляющих трансформаторов, позволяет существенно упростить конструкцию трансформатора, что приводит также к увеличению надёжности и снижению стоимости изделия.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 – Схема принципиальная транзисторного ключа.
1 — усилитель управляющего сигнала;
2 — ограничивающий резистор;
3 — вторичная обмотка управляющего трансформатора;
4 — выпрямительные мосты;
5, 6 — сглаживающая R-C цепочка;
7 — защитный диод;
8 — ограничительный резистор;
9 – транзистор;
10 – выравнивающий резистор;
11 - защитный диод;
Осуществление изобретения
На Фиг.1 изображена схема высоковольтного ключа. Высоковольтный транзисторный ключ содержит N транзисторов (9) соединённых последовательно, N управляющих трансформаторов, коллектор-эмиттер каждого транзистора (9) зашунтирован выравнивающим резистором (10) и защитным диодом (11). К базе каждого транзистора подключён ограничительный резистор (8), второй вывод этого резистора соединён со сглаживающей R-C цепочкой (5,6) и защитным диодом (7). Вторые выводы этих элементов соединены с эмиттером каждого транзистора (9). Также к выводам R-C цепочки (5,6) подключены выводы (+) и (-) выпрямительных мостов (4). Выводы (~) выпрямительных мостов (4) подключены к вторичной обмотке (3) управляющего трансформатора. К первичной обмотке управляющих трансформаторов, которая является общей для всех N трансформаторов, подключён ограничивающий резистор (2) и усилитель управляющего сигнала (1). Второй конец первичной обмотки подключён к общему проводу.
Все N управляющих трансформаторов включены по схеме трансформатора тока, что даёт возможность применения в качестве первичной обмотки всех N трансформаторов отрезка высоковольтного кабеля, проходящего через сердечники всех трансформаторов, и добиться за счёт этого повышения надёжности и снижения стоимости изделия. Это позволяет существенно упростить конструкцию трансформаторов и добиться одновременности открывания и закрывания транзисторов. При этом выпрямительный мост, сглаживающая R-C цепочка, защитный диод и ограничивающий резистор образуют схему управления ключом.
Включение в схему управления ключом выпрямительных мостов позволяет использовать для управления ключом обе полуволны управляющего напряжения с вторичной обмотки трансформатора и, за счёт этого, уменьшить постоянную времени сглаживающей цепочки, что приводит к увеличению быстродействия ключа. За счёт уменьшения длительности фронтов при включении и выключении ключа, уменьшается рассеивание энергии на транзисторах ключа, что приводит к снижению нагрева транзисторов, увеличению КПД устройства и повышению надёжности.
В качестве сигнала управления использован не синусоидальный сигнал, а прямоугольный (меандр), что позволяет уменьшить пульсацию управляющего напряжения на выходе выпрямительного моста, что позволяет уменьшить постоянную времени сглаживающей цепочки, что приводит к увеличению быстродействия ключа, увеличению КПД и повышению надёжности.
Устройство работает следующим образом.
При включении (открывании) ключа на вход усилителя управления подаётся сигнал открывания в виде последовательности импульсов со скважностью два (меандр). На вторичных обмотках (3) управляющих трансформаторов также появляется последовательность импульсов. Эти импульсы поступают на выпрямительный мост (4) и на выходе моста появляется постоянное (пульсирующее) напряжение. Пульсации сглаживаются R-C цепочкой (5,6) и через ограничительный резистор (8) поступают на затворы транзисторов (9), что приводит к открыванию ключей и ток от клеммы ВХОД поступает в нагрузку, подключённую к клемме ВЫХОД. При выключении (закрывании) ключа сигнал на входе усилителя управления отключается. Сигнал на вторичных обмотках (3) трансформаторов управления также становится равным нулю. Напряжение на R-C цепочке (5,6) начинает снижаться с постоянной времени t=RC и при достижении порогового напряжения транзистора ключ закроется. Так как в качестве управляющего сигнала используется меандр, величина пульсаций на выходе выпрямительного моста (4) мала, что позволяет выбрать сглаживающую R-C цепочку (5,6) с малой постоянной времени, которая близка к времени закрывания транзисторов (9). Таким образом, быстродействие описываемого высоковольтного ключа определяется, в основном, быстродействием транзисторов.