БЛОК ТРАНЗИСТОРНЫХ КЛЮЧЕЙ (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ТРАНЗИСТОРНЫМИ КЛЮЧАМИ ДЛЯ НЕГО

Полезная модель относится к импульсной технике, в частности, к импульсным источникам электропитания и предназначено для подачи высоковольтных импульсов на анод или управляющий электрод с целью обеспечения снабжения электроэнергией клистронов, ускорителей частиц, магнетронов, ламп бегущей волны и подобных им устройств.
Известна полезная модель «Высоковольтный импульсный модулятор со стабилизацией амплитуды импульсов и электронный ключ для него (варианты)» (RU 63140, опубликовано 10.05.2007), в которой модулирующее устройство выполнено в виде последовательно соединенных блока ключей и схемы управления ключами, причем выход схемы управления ключами соединен с управляющим входом блока ключей, при этом силовой вход блока ключей является силовым входом модулирующего устройства, выход блока ключей является выходом высоковольтного импульсного модулятора, а вход схемы управления ключами является входом высоковольтного импульсного модулятора. Блок ключей выполнен в виде N электронных ключей на базе полевых или биполярных транзисторов с изолированным затвором, соединенных последовательно друг с другом или в виде 2N электронных ключей на базе полевых или биполярных транзисторов с изолированным затвором, соединенных последовательно друг с другом, причем середина последовательности транзисторов между стоком последнего ключа 1.N первой половины последовательности и истоком ключа 2.1 второй половины последовательности образует выход блока ключей, силовой вход ключа 2.N является силовым входом блока ключей, а силовой вход ключа 1.1 подсоединен к общей шине, при этом на управляющем входе модулятора установлен импульсный трансформатор, первичная обмотка которого соединена с управляющим входом модулятора, каждая вторичная обмотка, число которых равно 2N, включена между затвором и стоком первого транзистора своего электронного ключа, причем начала и концы вторичных обмоток, относящихся к ключам 1.1…1.N включены встречно началом и концам обмоток, относящихся к ключам 2.1…2.N. Даны варианты выполнения устройства и схема электронного ключа для него.
Электронный ключ содержит 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, в него дополнительно введены второй диод, третий диод, стабилитрон, первый и второй резисторы и конденсатор, при этом катод второго диода соединен со стоком первого транзистора, а анод второго диода соединен с катодом первого диода и с одним из выводов первого резистора, второй вывод которого соединен с затвором второго транзистора, с одним из выводов конденсатора и третьего диода, вторые выводы которых соединены с истоком второго транзистора, при этом второй резистор подключен между истоком второго транзистора и затвором первого транзистора, анод стабилитрона соединен с входом ключа, а катод с выходом ключа.
Недостатком данной полезной модели является низкая помехоустойчивость, т.к. к управляющим электродам разомкнутых транзисторных ключей прикладывается нулевое напряжение, близкое к порогу открытия электронного ключа. Поэтому при возникновении помех возможно ложное замыкание транзисторного ключа.
Известно устройство управления транзисторными ключами [Walker, Geoffrey R. & Ledwich, Gerard F. (1996) Anisolated MOSFET gate driver // In AUPEC ′96: Australasian Universities Power Engineering Conference, Australasian Committee for Power Engineering, University of Melbourne, Victoria, Australia, pp. 175-180], состоящее из первого и второго транзисторов и конденсатора, обеспечивающая хранение заряда на входной емкости транзисторного ключа и позволяющая формировать импульсы произвольной длительности. При формировании импульса положительной полярности на выводах вторичной обмотки трансформатора открывается второй транзистор. Происходит заряд конденсатора и входной емкости транзисторного ключа через встроенный диод первого транзистора и замкнутый второй транзистор. После окончания импульса второй транзистор размыкается, а на конденсаторе и входной емкости транзисторного ключа остается накопленный положительный заряд. Транзисторный ключ переходит в замкнутое состояние. При формировании импульса отрицательной полярности на выводах вторичной обмотки трансформатора открывается первый транзистор. Происходит перезаряд конденсатора и входной емкости транзисторного ключа через встроенный диод второго транзистора и замкнутый первый транзистор. После окончания импульса первый транзистор закрывается, а на конденсаторе и входной емкости транзисторного ключа остается накопленный отрицательный заряд. Транзисторный ключ переходит в разомкнутое состояние.
Эта схема обладает следующими недостатками:
По окончании управляющего импульса на выводах вторичной обмотки трансформатора появляется выброс напряжения обратной полярности. Этот выброс приводит к тому, что происходит замыкание транзистора, хранящего заряд на входной емкости транзисторного ключа. Эта емкость разряжается и происходит ложное переключение ключа.
Также выбросы напряжения на вторичной обмотке трансформатора приводят к появлению выбросов напряжения между входными электродами транзисторного ключа, что приводит к выходу его из строя.
Как правило, встроенные в транзисторы диоды обладают низким быстродействием. Поэтому во время спада импульса напряжения на выводах вторичной обмотки трансформатора через эти диоды протекает существенный ток обратного восстановления диодов, что приводит к разряду входной емкости транзисторного ключа и может привести к ложному размыканию ключа.
Известна полезная модель «Твердотельный сеточный модулятор» (RU 128423, опубликовано 20.05.2013), включающий транзисторные ключи, импульсный источник тока для управления транзисторными ключами, подмодулятор, отличающийся тем, что импульсный источник тока состоит из множества импульсных токовых трансформаторов в виде кольцевых сердечников с намотанными на них вторичными обмотками, подключенными к управляющим входам высоковольтных транзисторных ключей, высоковольтного провода, который последовательно пропущен через сердечники, прилегая к внутренней и внешней поверхности сердечников и образуя один виток первичной обмотки трансформатора.
Недостатком данной полезной модели является отсутствие устройств согласования выходного напряжения вторичной обмотки управляющих трансформаторов и входа транзисторного ключа, что существенно ограничивает диапазон длительностей формируемых импульсов и снижает помехоустойчивость схемы.
Данная полезная модель является ближайшим аналогом предлагаемой полезной модели, т.е. прототипом.
Задачей предполагаемой полезной модели является повышение помехоустойчивости отдельных транзисторных ключей и расширение диапазона длительностей формируемых ими импульсов.
Техническим результатом полезной модели является увеличение надежности высоковольтного импульсного модулятора за счет повышения помехоустойчивости отдельных транзисторных ключей.
Данная задача решается усовершенствованием блока транзисторных ключей, выполненного с импульсным трансформатором на входе для подачи управляющих импульсов, содержащий N транзисторных ключей на базе полевых или биполярных транзисторов с изолированным затвором и соединенных последовательно друг с другом, в который введено устройство управления транзисторными ключами для каждого N транзисторного ключа, содержащее первый и второй транзисторы, первый, второй, третий и четвертый выпрямительные диоды, шесть сопротивлений, первый и второй защитные диоды, конденсатор, причем первым входом устройства управления транзисторными ключами является исток первого транзистора, вторым входом - исток второго транзистора, первым выходом устройства управления транзисторными ключами является точка соединения конденсатора и четвертого резистора, вторым выходом - анод третьего диода, при этом положительный вывод вторичной обмотки соединен с первым входом устройства управления транзисторными ключами, одним из выводов первого резистора, одним из выводов первого защитного диода и анодом второго диода, катод которого через пятый резистор соединен с управляющим входом транзисторного ключа, одним из выводов конденсатора, второго защитного диода и шестого резистора, соединенных параллельно, другие выводы которых соединены с общим выводом транзисторного ключа, а второй вывод вторичной обмотки соединен со вторым входом устройства управления транзисторными ключами, со вторым выводом первого защитного диода, с одним из выводов третьего резистора и анодом четвертого диода, катод которого соединен с анодом третьего диода с анодом третьего диода и с общим выводом транзисторного ключа, а катод третьего диода соединен со стоком второго транзистора, при этом второй вывод первого резистора соединен с затвором второго транзистора и с одним из выводов второго катод которого соединен со стоком второго транзистора, при этом второй вывод первого резистора соединен с затвором второго транзистора и с одним из выводов второго резистора, второй вывод которого соединен со вторым выводом третьего резистора и с затвором первого транзистора, сток которого соединен с катодом первого диода, анод которого через четвертый резистор соединен с управляющим входом транзисторного ключа.
Данная задача по варианту 2 решается усовершенствованием блока транзисторных ключей, содержащего импульсный трансформатор на входе для подачи управляющих импульсов, выполненный в виде кольцевых сердечников с намотанными на них вторичными обмотками, первичная обмотка которого выполнена в виде одного разомкнутого витка изолированного провода с надетыми на него кольцевыми сердечниками из ферромагнитного материала, N транзисторных ключей, соединенных последовательно друг с другом, каждый из которых включает устройство управления транзисторными ключами, в котором кольцевые сердечники выполнены по количеству равными числу транзисторных ключей и закреплены на разомкнутом витке изолированного провода на расстоянии друг от друга, обеспечивающем отсутствие электрического пробоя между соседними ячейками, при этом выводы вторичных обмоток импульсных трансформаторов соединены с соответствующими входами устройств управления транзисторными ключами, выходы которых соединены с соответствующими управляющими входами транзисторных ключей.
Данная задача решается усовершенствованием устройства управления транзисторными ключами, содержащего первый и второй транзисторы на базе полевого или биполярного транзисторов с изолированным затвором, один конденсатор, в которое введены четыре выпрямительных диода, шесть сопротивлений, первый и второй защитные диоды, причем положительный вывод вторичной обмотки соединен с одним из выводов первого резистора, одним из выводов первого защитного диода, истоком первого транзистора и анодом второго диода, катод которого через пятый резистор соединен с управляющим входом транзисторного ключа, а второй вывод вторичной обмотки соединен со вторым выводом первого защитного диода, с одним из выводов третьего резистора, анодом четвертого диода, истоком второго транзистора, сток которого соединен с катодом третьего диода, анод которого соединен с общим выводом транзисторного ключа, при этом второй вывод первого резистора соединен с затвором второго транзистора и с одним из выводов второго резистора, второй вывод которого соединен со вторым выводом третьего резистора и с затвором первого транзистора, сток которого соединен с катодом первого диода, анод которого через четвертый резистор соединен с управляющим входом транзисторного ключа, одним из выводов второго защитного диода, конденсатора и шестого резистора, соединенных параллельно, другие выводы которых соединены с общим выводом транзисторного ключа и катодом четвертого диода.
Работа блока транзисторных ключей и устройства управления транзисторными ключами для него иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 представлена структурная схема блока транзисторных ключей.
На фиг. 2 представлена принципиальная схема транзисторного ключа с устройством управления транзисторными ключами на базе полевого или биполярного транзистора с изолированным затвором.
На фиг. 3 представлены эпюры напряжения, на управляющих входах транзисторных ключей.
Блок транзисторных ключей по вариантам 1, 2 (фиг. 1), выполненный с импульсным трансформатором 1 на входе для подачи управляющих импульсов, содержащий N транзисторных ключей 2, соединенных последовательно друг с другом, к каждому из которых подключено устройство управления транзисторными ключами 3, первичная обмотка импульсного трансформатора выполнена в виде одного разомкнутого витка изолированного провода 4 с надетыми на него кольцевыми сердечниками 5 из ферромагнитного материала, по количеству равными числу транзисторных ключей, на которых закреплены вторичные обмотки 6, при этом противоположные концы разомкнутого витка изолированного провода 4 соединяются с выводами источника управляющих импульсов, а выводы вторичных обмоток 6 соединены с соответствующими входами устройства управления транзисторными ключами 3 транзисторных ключей, причем кольцевые сердечники 5 закреплены на разомкнутом витке изолированного провода 4, на расстоянии друг от друга, обеспечивающем отсутствие электрического пробоя между соседними ключами.
Устройство управления транзисторными ключами (фиг. 2), содержит первый VT1 и второй VT2 транзисторы, при этом все транзисторы выполнены на базе полевого или биполярного транзисторов с изолированным затвором, первый VD1, второй VD2, третий VD3 и четвертый VD4 выпрямительные диоды, защитные диоды (стабилитроны) VD5, VD6, сопротивления R1, R2, R3, R4, R5, R6, конденсатор C1, причем положительный вывод вторичной обмотки 7 соединен с одним из выводов первого резистора R1, одним из выводов первого защитного диода VD5, истоком первого транзистора VT1 и анодом второго диода VD2, катод которого через пятый резистор R5 соединен с управляющим входом транзисторного ключа, а второй вывод вторичной обмотки 6 соединен со вторым выводом первого защитного диода VD5, с одним из выводов третьего резистора R3, анодом четвертого диода VD4, истоком второго транзистора VT2, сток которого соединен с катодом третьего диода VD3, анод которого соединен с общим выводом транзисторного ключа, при этом второй вывод первого резистора R1 соединен с затвором второго транзистора VT2 и с одним из выводов второго резистора R2, второй вывод которого соединен со вторым выводом третьего резистора R3 и с затвором первого транзистора VT1, сток которого соединен с катодом первого диода VD1, анод которого через четвертый резистор R4 соединен с управляющим входом транзисторного ключа, одним из выводов конденсатора C1, второго защитного диода VD6, конденсатора C1 и шестого резистора R6, соединенных параллельно, другие выводы которых соединены с общим выводом транзисторного ключа и катодом четвертого диода VD4.
Устройство работает следующим образом.
На выводы первичной обмотки импульсного трансформатора подаются короткие управляющие импульсы напряжения положительной или отрицательной полярности. При подаче импульса положительной полярности блок ключей замыкается. При подаче импульса отрицательной полярности блок ключей размыкается. Под действием напряжения, прикладываемого к первичной обмотке трансформатора через провод первичной обмотки начинает протекать ток. На выводах вторичных обмоток импульсных трансформаторов формируется импульс напряжения амплитудой 10-15 B. При подаче импульса положительной полярности открывается транзистор VT2, по цепи R5-VD2-VT1-VT2-VD3 происходит заряд входной емкости транзисторного ключа. После окончания импульса хранение заряда обеспечивается закрытым транзистором VT1. При подаче на импульсный трансформатор импульса отрицательной полярности открывается транзистор VT1, происходит перезаряд входной емкости транзисторного ключа по цепи R4-VD1-VT1-VD4 до отрицательного напряжения. После окончания импульса, хранение отрицательного заряда обеспечивается закрытым транзистором VT2. Время, в течение которого транзисторный ключ остается в замкнутом или разомкнутом состоянии, определяется его входной емкостью и параметрами элементов R6, C1. Резисторы R4, R5 ограничивают ток разряда и заряда соответственно входной емкости транзисторного ключа. Резисторы R1, R2 и R3 ограничивают ток заряда входной емкости транзисторов VT1 и VT2. Так же эти резисторы образуют делитель управляющего напряжения для транзисторов VT1 и VT2, что позволяет уменьшить амплитуду этого напряжения. В случае появления выбросов обратной полярности на выводах вторичной обмотки трансформатора этот резистивный делитель позволяет не допустить ложного открытия транзисторов VT1 и VT2. Диоды VD2 и VD4 - обеспечивают заряд входной емкости транзисторного ключа. Диоды VD1 и VD3 ограничивают протекание тока заряда входной емкости транзисторного ключа через диоды, встроенные в транзисторы VT1 и VT2.
Так как каждый отдельный транзисторный ключ может находиться под полным рабочим потенциалом устройства, то необходимо обеспечить изоляцию провода первичной обмотки трансформаторов от вторичных обмоток на это напряжение. Возможно использование высоковольтного провода с дополнительной изоляцией. Для того, чтобы обеспечить одинаковость напряжений на вторичных обмотках всех трансформаторов кольцевые сердечники трансформаторов должны быть закреплены на изолированном проводнике первичной обмотки соосно с ним. В разомкнутом состоянии к каждому отдельному транзисторному ключу может прикладываться напряжение, максимально допустимое для него, поэтому кольцевые сердечники трансформаторов и транзисторные ключи должны располагаться друг от друга на расстоянии, обеспечивающем отсутствие электрического пробоя между соседними ключами.
Схема способна формировать импульсы бесконечной длительности, обладает высокой помехоустойчивостью, так как в паузах между импульсами на управляющие электроды транзисторных ключей подается отрицательное напряжение надежно запирающее их.
В прототипе во время пауз между импульсами к входным электродам транзисторного ключа прикладывается напряжение равное О В, близкое к порогу открытия транзисторного ключа. Поэтому при возникновении помех возможно ложное замыкание транзисторного ключа, помехоустойчивость схемы ниже по сравнению с предлагаемой. В предлагаемом варианте во время пауз между импульсами к управляющим электродам транзисторных ключей прикладывается отрицательное напряжение 5-15 B, которое много меньше порога замыкания транзисторных ключей, что увеличивает их помехоустойчивость.
Таким образом, заявленная схема дает возможность повысить помехоустойчивость и надежность устройства.