Ключевое устройство
KEY DEVICE

Изобретение относится к области преобразовательной и усилительной техники и может быть использовано в ключевых преобразователях напряжения и усилителях мощности с импульсным преобразованием параметров потока электроэнергии для высокоэффективных систем электропитания и передающих трактов радиотехнических и гидроакустических комплексов.
Известны различные типы ключевых устройств на основе мощных биполярных и полевых транзисторов [1-3], использующие различные типы драйверов без гальванической развязки, с трансформаторной и электронной гальванической развязкой. С развитием мощной полупроводниковой элементной базы и появлением транзисторов типа MOSFEET и IGBT с напряжением до 1000-1200 В все более актуальным является применение драйверов с гальванической развязкой. Однако, в дополнение к очевидным преимуществам, связанным с возможностью непосредственного управления ключевым элементом в различных схемах импульсного преобразования, в том числе с импульсным изменением потенциала эмиттера либо истока мощного транзистора, известные устройства имеют пониженное быстродействие. Прежде всего, это сказывается в задержке выключения, что имеет принципиальные значение для динамических потерь энергии и искажений длительности результирующего импульсного напряжения и может приводить к сквозным токам транзистор-транзистор, что резко ухудшает надежность и энергетическую эффективность схем ключевых усилителей мощности и двухтактных ключевых преобразователей напряжений.
В модуле ключевого усилителя мощности (КУМ) [2] применен драйвер с «плавающей точкой» без гальванической развязки типа IRS20124S, что позволило обеспечить высокое быстродействие переключений (за время не более 100 нс) мощного низковольтного транзистора IRFS4227PBF. При этом максимальное коммутируемое напряжение не превышает 150 В при частоте переключений до 500 кГц.
Для более высоковольтного модуля ВКУМ, описанного в [3] предложено использование гальванически развязанного электронного драйвера Si8242, что позволило обеспечить коммутацию транзистора С3М00651000 при допустимом напряжении до 800 В. Однако в том случае ограничение быстродействия и максимального выходного тока драйвера существенно ограничило частоту переключений до 100 кГц.
При использовании оптоэлектронных драйверов импортного производства, например типа HCPL3180-300 либо отечественной разработки типа 5П227 (АО «Протон»), динамические характеристики выключения мощного транзистора еще более ухудшаются, что ограничивает частоту переключений до 50 кГц.
Эффективное решение повышения быстродействия ключевого устройства предложено в [4], где использован трансформаторный драйвер с форсированным выключением мощного транзистора посредством применения специальных диодно-резистивных и транзисторных цепей, включенных на входе мощного транзистора. Ключевое устройство [4] является наиболее близким к предлагаемому устройству и может быть принято в качестве прототипа заявляемого технического решения.
Устройство-прототип (фиг. 1) содержит трансформаторный драйвер I, выпрямитель 2, диодно-резистивную цепь 3, транзисторную цепь 4 и мощный полевой транзистор 5.
Достоинством устройства-прототипа является обеспечение форсированного выключения мощного полевого транзистора 5 за счет замыкания цепи затвора «3» и истока «И» открытой транзисторной цепью 4 при формировании спада импульсов на выходе выпрямителя, что достигается быстрым разрядом емкости «3-И» через выходной транзистор транзисторной цепи 4, управление которым обеспечивается через диодно-резистивную цепь 3 при спаде импульсного напряжения на выходе выпрямителя 2.
К особенностям реализации функциональных узлов устройства прототипа относится включение в состав выпрямителя 2 нагрузочного сопротивления, формирующего спад импульсного напряжения при закрытых выпрямительных диодах.
Формирование импульсного напряжения на выходе выпрямителя осуществляется за счет поочередной передачи импульсов входной импульсной последовательности через распределитель импульсов 1.3 в составе трансформаторного драйвера 1 и далее через мостовую схему ключевого усиления 1.1 в виде разнополярных импульсов на первичную обмотку трансформатора 1.2.
Применение цепей 3, 4 для форсированного выключения мощного транзистора 5 в устройстве-прототипе позволяет в 1,5-2 раза уменьшить время выключения по сравнению с техническими аналогами и тем самым почти вдвое повысить частоту переключений при сохранении показателей энергетической эффективности ключевого устройства.
Вместе с тем, устройство-прототип имеет выраженный недостаток, связанный с передачей энергии управления мощным транзистором через трансформаторный драйвер 1, что влияет на задержку формирования фронта и спада импульсов управления на входе «3-И» полевого транзистора. Такая задержка обусловлена индуктивностью рассеяния трансформатора 1.2, влияние которой может быть уменьшено при увеличении тока выпрямителя 2 на собственную нагрузку, что приводит к увеличению потерь мощности в ключевом устройстве.
зи
зи
зи
зи
Другим недостатком устройства-прототипа является форсированный разряд емкости «3-И» на «0» и поддержание закрытого состояния мощного транзистора нулевым уровнем напряжения U на затворе. Такой режим был применен для управления транзисторами MOSFEET с высоким порогом отпирания напряжением U=(4-6) В. С развитием мощной полупроводниковой элементной базы и появлением полевых транзисторов с низким порогом отпирания U=(2-3) В рекомендуется их выключение обеспечивать отрицательным напряжением -U=-(4-6) В. Отсутствие возможности формирования отрицательного уровня напряжения управления полевым транзистором существенно ограничивает применимость устройства прототипа и понижает надежность его работы.
Задачей настоящего изобретения является повышение быстродействия и надежности функционирования ключевого устройства.
Для решения поставленной задачи в известное ключевое устройство, содержащее трансформаторный драйвер, включающий ключевой усилитель, выходы которого соединены с первичной обмоткой трансформатора, вторичная обмотка которого является выходом трансформаторного драйвера, выходы которого соединены с выходами выпрямителя, а также резистивно-диодную цепь и транзисторную цепь, первые выводы которых подключены к р-затвору мощного полевого транзистора, сток и исток которого соединены с соответствующими выходами ключевого устройства, вход которого связан с шиной входного импульсного сигнала, введены новые признаки, а именно: введен гальванически развязанный электронный драйвер, емкостной фиксатор напряжения, выполненный на стабилитроне и емкостном делителе, включенном между входами положительного и отрицательного напряжения электропитания, средняя точка которого соединена с выходом емкостного фиксатора напряжения и с катодом стабилитрона, анод которого подключен к входу отрицательного напряжения, а также генератор симметричных тактовых импульсов высокой частоты, выход которого соединен с входом трансформаторного драйвера, соединенного с входом ключевого усилителя, причем входы положительного и отрицательного напряжения гальванически развязанного электронного драйвера подключены к соответствующим выходам выпрямителя, а выход емкостного фиксатора напряжения подключен к истоку мощного полевого транзистора, в свою очередь вход гальванически развязанного электронного драйвера соединен с входом ключевого устройства, а выход со вторым выводом резистивно-диодной цепи, содержащей соединенные последовательно первый резистор и диод, включенные параллельно второму резистору, соответственно между вторым и первым выводами, а общей точкой, связанной с анодом диода, подключенной к третьему выводу резистивно-диодной цепи, который соединен с входом управления транзисторной цепи, второй вывод которой подключен к входу отрицательного электропитания гальванически развязанного драйвера, причем транзисторная цепь выполнена на p-n-р транзисторе, эмиттер и коллектор которого является соответственно первым и вторым выводом транзисторной цепи, вход которой связан с базой p-n-р транзистора.
Техническим результатом от введения совокупности дополнительных блоков и связей является повышение быстродействия и надежности функционирования, в том числе при использовании мощных транзисторов (например типа IGBT и CREE), требующих формирования отрицательных напряжений запирания посредством формирования вторичных напряжений положительного и отрицательного электропитания, общая шина которых связана с истоком мощного транзистора, и передачей импульсного сигнала управления через гальванически развязанный электронный драйвер и повышением быстродействия форсированного разряда емкости «3-И» мощного транзистора.
Использование в предлагаемом техническом решении гальванически развязанного электронного драйвера для передачи импульсного сигнала в условиях применения трансформаторного драйвера и выпрямителя, совместно с емкостным фиксатором уровня для формирования вторичных гальванически развязанных напряжений положительного и отрицательного электропитания выходного каскада гальванически развязанного электронного драйвера позволяет более эффективно формировать процесс форсированного выключения различных типов мощных транзисторов при широком диапазоне изменении длительности импульсов управления.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и фиг. 2, на которых приведены структурные схемы устройства-прототипа и предлагаемого ключевого устройства, а также фиг. 3 с иллюстрацией временных диаграмм сигналов в заявляемом техническом решении.
Предлагаемое ключевое устройство (фиг. 2) содержит трансформаторный драйвер I (ТД 1), выпрямитель 2 (В 2), резистивно-диодную цепь 3 (РДЦ 3), транзисторную цепь 4 (ТЦ 4), мощный транзистор 5 (Т 5), генератор 6 тактовых импульсов (Г 6), емкостной фиксатор 7 напряжения (ФН 7), гальванически развязанный электронный драйвер 8 (ЭД 8).
т
т
ШИМ
Генератор 6 напряжения предназначен для формирования импульсного сигнала V типа «меандр» тактовой частоты f*** (фиг. 3), как правило, значительно выше верхней частоты входного широтно-модулированного сигнала V. Реализация Г 6, например, может быть выполнена на релаксационном генераторе и симметрирующем триггере с использованием простейших логических элементов.
т
При симметричном сигнале V схема трансформаторного драйвера 1 может быть упрощена по сравнению с устройством прототипом в части исключения распределителя 1.3 импульсов, выполнения усилителя 1.1 по полумостовой схеме (вместо мостовой схемы, необходимой для устройства-прототипа) и выбора трансформатора 1.2 исходя из передачи заданной высокой тактовой частоты.
зи
Емкостной фиксатор 7 напряжения в простейшем случае выполняется на емкостном делителе C1, С2 и стабилитроне, напряжение отсечки которого определяет требуемый уровень отрицательного смещения -U сигнала управления V мощного транзистора. Через стабилитрон VD1 протекает ток выпрямителя в цепь управления мощным транзистором, что приводит к требуемой фиксации отрицательного напряжения электропитания -U.
зи
зи
зи
д
д
Гальванически развязанный электронный драйвер 8 может выполняться на оптопарах (оптоэлектронная развязка), например типа HCPL3180-300 либо на электронных драйверах Si8243 (гальваническая развязка по радиоканалу). Такие драйверы обеспечивают прямую передачу входного импульсного сигнала на выход через канал гальванической развязки и полумостовой оконечный каскад, формирующий выходное напряжение V (фиг. 3) в условиях +U и -U с размахом равным напряжению вторичного электропитания с входным током до (1-2) А. Время задержки фронта и спада импульсного сигнала таких драйверов при согласованной резистивной нагрузке не превышает 50 нс. Однако, при работе на емкостную нагрузку С (С до (10-20) нФ) через собственное сопротивление драйвера R (R=(2-4) Ом) время выключения может достигать 200-300 нс.
зи
зи
Последнее обстоятельство позволяет использовать схему форсированного выключения мощного транзистора Т 5 на диодно-резистивной и транзисторной цепях (РДЦ 3, ТЦ 4), причем в предлагаемом устройстве эффективность применения транзисторной цепи значительно возрастает вследствие разряда на отрицательное напряжение -U. Дополнительным преимуществом предлагаемого устройства является значительный выходной ток ЭД-8, усиление которого до максимального уровня (5-7) А, достаточного для форсированного разряда емкости С, может быть обеспечено без дополнительных задержек одним транзистором в составе ТЦ 4 с коэффициентом передачи по току не менее 10. Входной ток такого транзистора определяется резистором R2 в составе РДЦ 3, где резистор R1 обеспечивает фиксацию отрицательного напряжения U при завершении процесса форсированного выключения.
Таким образом, предложенное выполнение основных узлов заявляемого устройства обеспечивает реализуемость заявляемого ключевого устройства и достижение заданного технического эффекта.
т
т
0
д
0
зи
д
Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом. Импульсное напряжение V типа «меандр» высокой тактовой частоты f, формируемое звеном Г 6, усиливается по мощности трансформаторным драйвером ТД1 и после трансформаторной развязки в виде импульсного напряжения амплитудой U+U (где U - размах импульсного напряжения U, U - остаточное напряжение диодов В 2) передается через В 2 на выводы электропитания ФН 7 и ЭД 8. В результате смещения напряжения ФН 7 формируются положительное +U и отрицательное -U напряжения вторичного электропитания, гальванически связанные с выходом «И» мощного транзистора Т 5:
Уровни вторичных напряжений определяются типом мощного транзистора и могут устанавливаться в диапазоне:
ШИМ
l
зи
н
При поступлении импульса сигнала V, высокий уровень с задержкой (30-50) нс в виде импульса напряжения амплитудой  через резистивно-диодную цепь R2, VD2 (ЭД 8) передается на вход «3-И» мощного транзистора. В результате с задержкой включения t=(150 - 300) нс напряжения U обеспечивает открывание Т 5 для замыкания номинального выходного тока I до (20-50) А.
Спад входного импульсного сигнала с некоторой задержкой (не более 50 нс) поступает через R1 в виде импульса напряжения  в цепь «3-И» Т 5.
2
зи
зи
Одновременно напряжение U передается через R2 РДЦ 3 на вход отпирания транзистора ТЦ 4. В результате открытый транзистор ТЦ 4 замыкает напряжение U на напряжение -U практически через собственное сопротивление затворной цепи Т 5 и сопротивление ТЦ 4, чем достигается ток форсированного выключения до 7 А. В результате задержки выключения мощного транзистора обеспечивается не более 50-100 нс, что более чем в три раза меньше чем в известный устройствах. После завершения процесса формирования спада U отрицательное напряжение на затворе поддерживается передачей напряжения низкого уровня с выхода ЭД 8 через резистор R1 РДЦ 3 на затвор мощного транзистора.
Таким образом, реализация вновь введенных признаков в состав устройства-прототипа позволяет в предлагаемом ключевом устройстве более чем в два раза повысить быстродействие и, соответственно, повысить частоту переключений.
При этом реализация отрицательного смещения в условиях форсированного выключения обеспечивает понижение на 20-40% динамических потерь энергии и повышение надежности функционирования предлагаемого устройства по сравнению с техническими аналогами и устройством-прототипом. Причем применение предлагаемого технического решения может быть использовано для мощных транзисторов нового типа, являющихся основой для построения современных ключевых усилителей мощности и преобразователей напряжения.
На предприятии разработан опытный образец мощного генераторного устройства (ГУ) для возбуждения гидроакустических излучающих антенн широкополосными сигналами мощностью до 30 кВА на транзисторах типа C2M0040120D, изготовленных на карбидкремниевых полупроводниковых структурах. В ключевом усилителе мощности с широтно-импульсной модуляцией в составе прибора ГУ применяли заявляемое ключевое устройство, что обеспечило частоту коммутации до 200 кГц при напряжении силового электропитания 500 В при потерях энергии не более 5-7%.
Аналогичный прибор ГУ, использующий технические решения устройства-прототипа на основе мощных полевых транзисторов позволил обеспечить выходную мощность не более 10 кВА при относительных потерях до 10-15% в условиях силового электропитания от максимально допустимого напряжения до 450 В. По результатам испытаний принято решение по расширенному внедрению предлагаемого ключевого устройства в приоритетных заказах предприятия.
Источники информации
1. Александров В.А., Майоров В.А., Маркова Л.В. Модули силовой электроники передающих трактов гидроакустических комплексов / Морская радиоэлектроника, №2 (64) июнь 2018 г. С. 18-23.
2. Патент РФ №2573229. Модуль ключевого усилителя мощности (приор. 15.09.2014).
3. Патент РФ №2716043 Модуль высоковольтного ключевого усилителя (приор. 30.10.18).
4. Патент РФ №2110884. Ключевое устройство (приор. 20.03.1996).