Устройство для управления транзисторным ключом

Устройство для управления транзисторным ключом

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: управление транзисторами статических преобразователей. Сущность изобретения: при наличии сигнала с широтно-импульсного модулятора 1 открыт транзистор 4, через первичную обмотку 13 импульсного трансформатора 12 протекает ток, формирующий ток отпирания силового транзисторного ключа 16 во вторичной обмотке трансформатора 12. При снятии управляющего сигнала с выхода широтно-импульсного модулятора ЭДС вторичной обмотки трансформатора 2 тока сохраняет свою полярность до момента полного запирания транзистора 4, в результате чего транзисторы 5 и 9 закрыты и в устройстве исключается возможность протекания сквозного тока. После полного запирания транзистора 4 отпирают транзисторы 5 и 9 и во вторичной обмотке трансформатора 12 формируется запирающий ток базы силового транзисторного ключа 16. 2 ил. сл с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 Н 02 М 1/08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (л) 4

Q1

/7 (21) 4681519/07 (22) 30.04.89 (46) 30.05.92. Бюл. № 20 (71) Центральный научно-исследовательский институт "Комета" (72) B.Ô.Ãàëêèí и А.С.Щукин (53) 621.316.727 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹974521,,кл. Н 02 М 1/08.Авторское свидетельство СССР

N989701,,кл. Н 02 М 1/08.

Авторское свидетельство СССР

N 989703,,кл. Н 02 М 1/08.

Авторское свидетельство СССР

¹ 760330, кл, Н 02 М 1/08. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ

ТРАНЗИСТОРНЫМ КЛЮЧОМ (57) Использование; управление транзисторами статических преобразователей. Сущ,, Ы,,, 1737б57 А1 ность изобретения: при наличии сигнала с широтно-импульсного модулятора 1 открыт транзистор 4, через первичную обмотку 13 .импульсного трансформатора 12 протекает ток, формирующий ток отпирания силового

TpBH3McTopHol.о K/llo48 16 Во вторичной об мотке трансформатора 12. При снятии управляющего сигнала с выхода широтно-импульсного модулятора ЭДС вторичной обмотки трансформатора 2 тока сохраняет свою полярность до момента полного запирания транзистора 4, в результате чего транзисторы 5 и 9 закрыты и в устройстве исключается возможность протекания сквозного тока. После полного запирания транзистора 4 отпирают транзисторы 5 и 9 и во вторичной обмотке трансформатора 12 формируется запирающий ток базы силового транзисторного ключа 16, 2 ил.

1737657

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для управления однотактными ключевыми транзисторными усилителями мощности. 5

Известны устройства для управления транзисторным ключом, содержащие трансформатор, источник питания, источник импульсных сигналов, транзисторную схему усиления импульсных сигналов. 10

Однако такие устройства характеризуются невысоким КПД, обусловленным потерями энергии на резисторах, включенных последовательно в коллекторные цепи транзисторов усиления управляющих им- 15 пульсов, необходимостью использования дополнительного источника питания и повышенным потреблением мощности от него из-за наличия базовых токов как в паузе, так и во время управляющего импульса, а также 20 ограничен ностью коэффи циента за полн ения импульсов управляющего напряжения из-за размагничивания сердечника трансформатора за счет собственной накопленной энергии..Кроме того, эти устройства 25 имеют невысокую надежность, так как в однотактных обратных ключевых усилителях мощности затруднено управление и требуется уложение схемы и низкое быстродействие из-за инертности ключевого 30 транзистора в цепи вторичной обмотки трансформатора и силового транзисторного ключа.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для управления силовым 35 транзисторным ключом, содержащее силовой транзисторный ключ, трансформатор с двумя первичными обмотками, три диода, пять резисторов, конденсатор, широтно-импульсный модулятор (ШИМ), клеммы источ- 40 ника питания, три коммутирующих транзистора, причем первый коммутирующий транзистор подключен через ограничительный резистор к первичной обмотке трансформатора параллельно которой 45 включен второй коммутирующий транзистор, соединенный последовательно с первым диодом, третий коммутирующий транзистор подключен к второй первичной обмотке, базы коммутирующих транзисто- 50 ров через резисторы и конденсатор подключены к выходу ШИМ, вторичная обмотка трансформатора подключена через параллельно включенные резистор и второй диод к входу силового транзисторного ключа, 55 третий диод шунтирует база-эмиттерный переход третьего коммутирующего транзистора.

Недостатками известного устройства являются его невысокие КПД и надежность, обусловленные потерей мощности на ограничительном резисторе и большими перегрузками по току в коммутирующих транзисторах в момент изменения управляющего напряжения с выхода ШИМ.

Кроме того, размещение ограничительного резистора в коллекторной цепи первого коммутирующего транзистора приводит к уменьшению скорости нарастания магнитного потока в сердечнике трансформатора в рабочий период времени силового транзисторного ключа-и снижает передачу энергии в нагрузку в единицу времени.

Целью изобретения является увеличение

КПД и повышение надежности устройства для управления транзисторным ключом.

Поставленная цель достигается, тем, что в устройство для управления транзисторным ключом, содержащее трансформатор, вторичная обмотка которого через параллельно соединенные токоограничительный резистор и первый диод подключена к входу силового транзисторного ключа, начало первой первичной обмотки трансформатора соединено с первым выводом источника питания, а конец — с коллектором первого коммутирующего транзистора, база которого соединена с первыми выводами первого резистора, второго диода и конденсатора, второй вывод которого соединен с первым выводом второго резистора, вторые выводы второго диода и первого резистора объединены и соединены с эмиттерами первого и второго коммутирующих транзисторов, вторым выводом источника питания, началом второй первичной обмотки трансформатора и первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом четвертого резистора и базой второго коммутирующего транзистора, коллектор которого через третий диод соединен с концом второй первичной обмотки трансформатора, связанным с коллектором третьего коммутирующего транзистора, база которого через пятый резистор соединена с выходом ШИМ, а через шестой резистор — с первым выводом источника питания, введены седьмой резистор, четвертый и пятый диоды и трансформатор тока, первичная обмотка которого с параллельно включенным четвертным диодом включена между эмиттером третьего коммутирующего транзистора и первым выводом источника питания, причем конец вторичной обмотки трансформатора тока соединен с выходом ШИМ, а начало соединено с вторым выводом резистора и через пятый диод с вторым выводом второго резистора, первый вывод которого соединен с первым выводом седьмого резистора, вто1737657

20

30

40

50 рой вывод которого соединен с вторым выводом первого резистора.

На фиг, 1 изображена принципиальная схема устройства для управления транзисторным ключом; на фиг, 2 — временные эпюры напряжений и токов в схеме устройства для управления транзисторным ключом.

Устройство для управления транзисторным ключом содержит ШИМ 1, подключенный к клеммам источника питания, выход которого соединен с концом вторичной обмотки трансформатора 2 тока и через резистор 3 с базой коммутирующего транзистора 4, начало вторичной обмотки трансформатора 2 тока соединено с базой коммутирующего транзистора 5 через последовательно соединенные диод 6, резистор 7, конденсатор 8 и с базой коммутирующего транзистора 9 через резистор 10. Начало первичной обмотки трансформатора 2 тока соединено с эмиттером коммутирующего транзистора 4 и катодом диода 11, а конец ее соединен с отрицательной клеммой источника питания и анодом диода 11. Устройство содержит также трансформатор 12 с двумя первичными обмотками 13 и 14, при этом началом первичной обмотки 13 соединено с плюсовой клеммой источника питания и эмиттером коммутирующего транзистора 9, к ее конец — с коллектором коммутирующего транзистора 4 и катодом диода 15. Анод диода 15 соединен с коллектором коммутирующего транзистора 9, начало первичной обмотки

14 — с отрицательной клеммой источника питания, а конец — с коллектором коммутирующего транзистора 5. Эмиттер транзистора 5 соединен с плюсовой клеммой источника питания, вторичная обмотка трансформатора 12 соединена с входом силового транзисторного ключа 16 через параллельно включенные резистор 17 и диод

18. Кроме того, устройство содержит диод

19, катод которого соединен с плюсовой клеммой источника питания, а анод — с базой коммутирующего транзистора 5, резистор 20, соединенный одним выводом с точкой соединения резистора 7 и конденсатора 8, вторым — с плюсовой клеммой источника питания.

Устройство для управления транзисторным ключом работает следующим образом.

Во время to — t> положительного напряжения на выходе ШИМ 1 коммутирующий транзистор 4 открыт (фиг, 2а) и, следовательно, первичная обмотка 13 трансформатора 12 подключена к источнику питания.

Магнитопровод трансформатора 12 намагничивается в прямом направлении и во вторичной обмотке трансформатора 12 наводится ЭДС, обеспечивающая через резистор 17 базовой ток открытого состояния силового трансформаторного ключа 16, За счет тока во время to — t1, протекающего через открытый коммутирующий транзистор 4 (фиг. 2в) и через первичную обмотку трансформатора 2 тока, на вторичной обмотке трансформатора тока наводится ЭДС, обеспечивающая запирающее смещение на базе коммутирующего транзистора 9 через резистор 10 (фиг. 2г) и катоде диода 6, Коммутирующий транзистор 5 на время to — t1 закрытый (фиг. 2ж) из-за отсутствия базового тока, появлению которого препятствует закрытый диод 6. В момент времени t> при изменении полярности управляющего сигнала, когда уровень напряжения на выходе

ШИМ 1 становится близким к напряжению отрицательной клеммы источника питания (фиг. 2а), коммутирующий транзистор 4 изза собственной инерционности на время рассасывания неосновных носителей остается в открытом состоянии и не оказывает существенного влияния на процессы в цепи нагрузки, а ЭДС вторичной обмотки трансформатора 2 тока сохраняет свою полярность, удерживает закрытое состояние коммутирующих транзисторов 5 и 9 (фиг. 2е, 2к) и, следовательно, не возникает условий протекания сквозного тока, обусловленного одновременным открытым состоянием коммутирующих транзисторов 4, 5 и 9, образующих короткозамкнутые цепи между отрицательной и положительными клеммами источника питания. При выключении коммутирующего транзистора 4 после рассасывания неосновных носителей напряжение на всех обмотках трансформатора 12 изменяет полярность и накопленная энергия в сердечнике трансформатора 12 создает начальный запирающий ток базы силового транзисторного ключа 16, который в дальнейшем будет поддерживаться в закрытом состоянии током второй первичной обмотки 14 трансформатора 12, обеспечиваемым открытым состоянием коммутирующего транзисторного 5, (фиг. 2ж) за счет базового тока, протекающего по цепи отрицательная клемма источника питания, выход ШИМ 1, вторичная обмотка трансформатора 2 тока, диод 6, резистор 7, конденсатор 8, база-эмиттер коммутирующего транзистора 5, положительная клемма источника питания. Одновременно открывается коммутирующий транзистор 9 по цепи отрицательная клемма источника питания, выход ШИМ 1, вторичная обмотка трансформатора 2 тока, резистор 10, базаэмиттер коммутирующего транзистора 9, 1737657 положительная клемма источника питания, Во время t< — тз коммутирующий транзистор

9 находится в открытом состоянии до изменения полярности ШИМ 1 (фиг. 2д). На время ц — t2 открытого состояния коммутирующего транзистора 5 коммутирующий транзистор 9 не шунтирует обмотку

13 трансформатора 12 (фиг. 2е), так как обратное напряжение обмотки 13 прикладывается к диоду 15. Сопротивление вторичной обмотки трансформатора 2 тока в момент открывания коммутирующих транзисторов 5 и 9 будет незначительным, так как его первичная обмотка зашунтирована

Диодом 1 1.

Емкость конденсатора 8 выбирается из условия обеспечения тока вторичной обмотки 14 трансформатора 12 на время рассасывания неосновных носителей силового транзисторного ключа 16 (фиг, 2к), В момент времени tz коммутирующий транзистор 5 запирается после прекращения протекания зарядног тока конденсатора 8, через база-эмиттерный переход этого транзистора и когда Г ы 0 (фиг. 2ж, 2к), Ток рассасывания неосновных носителей в базе коммутирующего транзистора 5 (запирание транзистора) проходит через диод 19 и резистор, шунтирующий базо-эмиттерный переход, когда коммутирующий транзистор

4 находится в закрытом состоянии, а транзистор 9 — в открытом состоянии, При выключении коммутирующего транзистора 5, когда напряжение на обмотке 14 становится меньше, чем напряжения питания, трансформатор 12 окажется нагруженным. Для исключения появления положительного напряжения на вторичной обмотке трансформатора 12 в момент переходных процессов колебательного характера служит шунтирующая цепочка, состоящая из коммутирующего транзистора

9 и диода 15.

В момент времени ta при возникновении положительного управляющего напряжения на выходе ШИМ 1 происходит процесс включения коммутирующего транзистора 4 и выключения транзистора 9. Однако ток на время открытого состояния транзисторов 4 и 9 будет ограничиваться индуктивным сопротивлением первичной обмотки трансформатора 2 тока, а полярность включения ЭДС вторичной обмотки будет формировать выключение транзистора 9, что ограничивает сквозной ток (фиг. 2а, 2е).

Потенциал конденсатора 8, накоплений за время протекания базо-эмиттерного тока коммутирующего транзистора 5, не будет поддерживать отпирающий ток в базе тран5

55 зистора 9, так как этому препятствует диод

6. Для обеспечения разряда емкости конденсатора 8 в устройство введен резистор

20.

Таким образом, введение в известное устройство до полн ител ь ного тра нсформатора 2 тока, вносящего малые потери мощности, двух диодов 6 и 11 и резистора 20 ограничивает сквозные токи в момент включения и выключения коммутирующего транзистора 4, а отсутствие ограничительного резистора в цепи коллектора коммутирующего транзистора 4 исключает потери мощности, что в совокупности повышает КПД устройства для управления транзисторным ключом. Кроме того, отсутствие больших токов в коммутирующих транзисторах 4, 5 и 9 в момент их переключения повышает надежность устройства.

Формула изобретения

Устройство для управления транзисторным ключом, содержащее трансформатор, вторичная обмотка которого через параллельно соединенные токоограничительный резистор и первый диод предназначена для подключения к входу силового транзисторного ключа, начало первой первичной обмотки трансформатора соединено с первым выводом источника питания, а конец — с коллектором первого коммутирующего транзистора, база которого соединена с первыми выводами первого резистора, второго диода и конденсатора, второй вывод которого соединен с первым выводом второго резистора, вторые выводы второго диода и первого резистора объединены и соединены с эмиттерами первого и второго коммутирующих транзисторов, вторым выводом источника питания, началом второй первичной обмотки трансформатора и первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом четвертого резистора и базой второго коммутирующего транзистора, коллектор которого через третий диод соединен с концом второй первичной обмотки трансформатора, связанным с коллектором третьего коммутирующего транзистора, база которого через пятый резистор соединен с выходом широтно-импульсного модулятора, а через шестой резистор — с первым выводом источника питания, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения КПД и надежности работы, введен седьмой резистор, четвертый и пятый диоды и трансформатор тока, первичная обмотка которого, зашунтированная четвертым диодом, включена между эмиттером третьего коммутирующего транзистора и первым выводом источника питания, причем конец вторичной обмотки трансформа1737657

0 ыин

+ Vie

Цил кч

2 эБ9

Оэк9 е

ЦэБк, 4эк5.Б(х

Составитель B.Ãàëêèí

Техред М.Моргентал Корректор С.Черни

Редактор Е.Копча

Заказ 1903 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул, Гагарина, 101 тора тока соединен с выходом ШИМ а начало соединено с вторым выводом четвертого резистора и через пятый диод — с вторым выводом второго резистора, первый вывод которого соединен с первым выводом седьмого резистора, второй вывод которого соединен с вторым выводом первого резистора, 5