УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ТРАНЗИСТОРНЫМ КЛЮЧОМ

УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ТРАНЗИСТОРНЫМ КЛЮЧОМ


RU (11) 2199812 (13) C2

(51) 7 H02M1/08 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 07.12.2007 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 2000109669/09 
(22) Дата подачи заявки: 2000.04.17 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2000.04.17 
(45) Опубликовано: 2003.02.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: ГОЛОВИЦКИЙ В.А. и др. Источники вторичного электропитания. - М.: Радио и связь, 1990, с. 91. SU 989801 А, 15.01.1983. SU 989703 A, 15.01.1983. DE 3927278 A1, 12.04.1990. 
(71) Заявитель(и): Общество с ограниченной ответственностью "КОСМОС ЭНВО" 
(72) Автор(ы): Савенков В.В.; Лившин Г.Д. 
(73) Патентообладатель(и): Общество с ограниченной ответственностью "КОСМОС ЭНВО" 
Адрес для переписки: 394006, г.Воронеж, ул. 20-летия Октября, 90, ООО "КОСМОС ЭНВО" 

(54) УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ТРАНЗИСТОРНЫМ КЛЮЧОМ 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для управления силовыми транзисторами вторичных источников электропитания с трансформаторной гальванической развязкой цепей управления от силовых целей. Технический результат: повышение кпд. Устройство содержит первый трансформатор с первой и второй обмотками, ШИМ, первый вывод второй обмотки подключен к управляющему выводу силового транзистора и коллектору первого запирающего транзистора. В устройстве в качестве силового транзистора применен МДП-транзистор, первый трансформатор выполнен трехобмоточным, дополнительно введены блок управления, второй трансформатор с первой, второй и третьей обмотками, второй запирающий транзистор, первый, второй, третий и четвертый диоды, первый, второй, третий, четвертый и пятый резисторы, при этом первые выводы вторых обмоток первого и второго трансформаторов подключены соответственно к анодам первого и второго диодов, катоды которых подключены к точке соединения управляющего вывода силового транзистора, коллектора первого запирающего транзистора и одного из выводов первого резистора, объединенные вторые выводы вторых обмоток первого и второго трансформаторов соединены с первым выводом третьей обмотки первого трансформатора, с другим выводом первого резистора, истоком силового транзистора, эмиттерами первого и второго запирающих транзисторов, анодом третьего диода и одним из выводов третьего резистора, и через второй резистор - со вторым выводом третьей обмотки второго трансформатора, второй вывод третьей обмотки первого трансформатора подсоединен через четвертый резистор к базе первого, коллектору второго запирающих транзисторов и катоду четвертого диода, анод которого через пятый резистор подсоединен ко второму выводу третьей обмотки второго трансформатора, первый вывод которой соединен с другим выводом третьего резистора, катодом третьего диода и базой второго запирающего транзистора, сигнал с ШИМ поступает на вход блока управления, управляющие импульсные сигналы которого y1, у2, поданные на первые обмотки трансформаторов, изменяются в соответствии с логическими выражениями где х1 - сигнал ШИМ, х2 - меандр с тактовой частотой задающего генератора ШИМ. Предусмотрено дополнительное введение резистора, соединяющего сток силового транзистора и базу первого запирающего транзистора. 1 з.п.ф-лы, 3 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для управления силовыми транзисторами вторичных источников электропитания с трансформаторной гальванической развязкой цепей управления от силовых цепей.

Для управления транзисторными силовыми ключами вторичных источников электропитания известны схемы трансформаторных устройств [1], которые разработаны для управления ключами на биполярных транзисторах, недостатки которых в сравнении с мощными МДП-транзисторами известны.

Для управления силовыми ключами на МДП-транзисторах, в которых по условиям работы требуется гальваническая развязка цепей управления от силовых цепей применяются различные схемы, учитывающие особенности процессов переключения МДП-транзисторов в схемах преобразователей. Пример такой схемы предложен в [2]. В этой схеме сигнал со вторичной обмотки управляющего трансформатора одновременно используется для формирования низкоимпедансного источника напряжения положительного смещения затвора силового транзистора, необходимого для форсированного заряда-разряда емкости затвора.

Однако приведенные устройства объединяет общий недостаток - невозможность работы в диапазоне изменения коэффициента заполнения импульсов управления от 0 до 1. Для решения этой задачи обычно используется параллельное включение двух силовых транзисторов с индивидуальными схемами управления, работающих противофазно, с целью увеличения диапазона работы ключа от закрытого до полностью открытого состояния. Такое решение приводит к ухудшению массогабаритных характеристик преобразователей и потому не всегда осуществимо.

Наиболее близким к заявляемому устройству является схема управления мощным транзистором [3] , содержащая первый трансформатор с первой и второй обмотками, ШИМ, силовой транзистор и первый запирающий транзистор.

К недостаткам описанного устройства можно отнести невозможность его работы с коэффициентом заполнения импульсов управления в диапазоне от 0 до 1, а также низкий кпд ключа на биполярном транзисторе по сравнению с мощными МДП-транзисторами.

Задачей, на решение которой направлено создание заявленного изобретения, является расширение диапазона регулирования ключа и повышение его кпд.

Задача решается тем, что в устройстве управления транзисторным ключом, содержащем первый трансформатор с первой и второй обмотками, ШИМ, силовой транзистор и первый запирающий транзистор, в качестве силового транзистора применен МДП-транзистор, первый трансформатор выполнен трехобмоточным, дополнительно введены блок управления, второй трансформатор с первой, второй и третьей обмотками, второй запирающий транзистор, первый, второй, третий и четвертый диоды, первый, второй, третий, четвертый и пятый резисторы, при этом первые выводы вторых обмоток первого и второго трансформаторов подключены соответственно к анодам первого и второго диодов, катоды которых подключены к точке соединения управляющего вывода силового транзистора, коллектора первого запирающего транзистора и одного из выводов первого резистора, объединенные вторые выводы вторых обмоток первого и второго трансформаторов соединены с первым выводом третьей обмотки первого трансформатора, с другим выводом первого резистора, истоком силового транзистора, эмиттерами первого и второго запирающих транзисторов, анодом третьего диода и одним из выводов третьего резистора, и через второй резистор - со вторым выводом третьей обмотки второго трансформатора, второй вывод третьей обмотки первого трансформатора подсоединен через четвертый резистор к базе первого, коллектору второго запирающих транзисторов и катоду четвертого диода, анод которого через пятый резистор подсоединен ко второму выводу третьей обмотки второго трансформатора, первый вывод которой соединен с другим выводом третьего резистора, катодом третьего диода и базой второго запирающего транзистора, сигнал с ШИМ поступает на вход блока управления, управляющие импульсные сигналы которого y1, у2, поданные на первые обмотки трансформаторов, изменяются в соответствии с логическими выражениями где x1 - сигнал ШИМ, x2 - меандр с тактовой частотой задающего генератора ШИМ.

Вариант выполнения устройства управления транзисторным ключом имеет дополнительный резистор, соединяющий сток силового транзистора и базу первого запирающего транзистора.

На фиг.1 представлена схема устройства управления транзисторным ключом, на фиг.2 приведены эпюры напряжений, поясняющие работу устройства.

Устройство состоит из первого 1 и второго 2 трансформаторов, имеющих соответственно первую 3 (6), вторую 4 (7) и третью 5 (8) обмотки, силового МДП-транзистора 9, первого 10 и второго 11 запирающих транзисторов, первого 12, второго 13, третьего 14 и четвертого 15 диодов, первого 16, второго 17, третьего 18, четвертого 19 и пятого 20 резисторов, ШИМ 21, блока управления 22 с подключенными первыми обмотками 3, 6 трансформаторов 1, 2, при этом первые выводы вторых обмоток 4 и 7 первого 1 и второго 2 трансформаторов подключены соответственно к анодам первого 12 и второго 13 диодов, катоды которых подключены к точке соединения управляющего вывода силового транзистора 9, коллектора первого запирающего транзистора 10 и одного из выводов первого резистора 16, объединенные вторые выводы вторых обмоток 4, 7 первого 1 и второго 2 трансформаторов соединены с первым выводом третьей обмотки 5 первого трансформатора 1, с другим выводом первого резистора 16, истоком силового транзистора 9, эмиттерами первого и второго запирающих транзисторов 10, 11, анодом третьего диода 14 и одним из выводов третьего резистора 18, и через второй резистор 17 - со вторым выводом третьей обмотки 8 второго трансформатора 2, второй вывод третьей обмотки 5 первого трансформатора 1 подсоединен через четвертый резистор 19 к базе первого, коллектору второго запирающих транзисторов 10, 11 и катоду четвертого диода 15, анод которого через пятый резистор 20 подсоединен ко второму выводу третьей обмотки 8 второго трансформатора 2, первый вывод которой соединен с другим выводом третьего резистора 18, катодом третьего диода 14 и базой второго запирающего транзистора 11.

Вариант выполнения устройства управления транзисторным ключом имеет дополнительный резистор 23, соединяющий сток силового транзистора 9 и базу первого запирающего транзистора 10.

Устройство работает следующим образом.

Трансформаторы 1, 2 работают попеременно в однотактном режиме с трансформацией энергии в импульсе управляющего сигнала. Коэффициент заполнения импульсов сигналов управления каждого трансформатора не превышает 0,5.

Сигнал ШИМ поступает на вход блока управления, задача которого сформировать сигналы управления y1, y2 трансформаторами 1, 2, изменяющиеся в соответствии с логическими выражениями где x1 - сигнал ШИМ, x2 - меандр частоты задающего генератора ШИМ (не показан). В зависимости от способа формирования сигнала ШИМ, который может увеличивать длительность импульсов "от фронта" или "от среза" импульсов тактовой частоты задающего генератора ШИМ, а также иметь различные направления изменения длительности импульсов по отношению к импульсам сигнала задающего генератора ШИМ, сигналы y1, у2 должны быть поданы на первые обмотки трансформаторов 1, 2 таким образом, чтобы фронты импульсов управляющего сигнала, поданного на трансформатор 1 совпадали с фронтами импульсов сигнала ШИМ и обеспечивали открывание силового транзистора 9, а срезы импульсов управляющего сигнала, поданного на трансформатор 2, совпадали со срезами импульсов сигнала ШИМ и обеспечивали его закрывание.

На фиг. 2 представлены поясняющие работу устройства эпюры напряжений, соответствующие варианту, когда сигналы ШИМ сформированы от пилообразного напряжения и фронты импульсов сигнала ШИМ совпадают с фронтами импульсов сигнала задающего генератора ШИМ.

Здесь x2 - меандр частоты задающего генератора ШИМ, x1 -сигнал ШИМ, y1, у2 - сигналы управляющих напряжений, поданных соответственно на первую обмотку 3 первого трансформатора 1 и на первую обмотку 6 второго трансформатора 2, а также напряжение сток-исток силового транзистора 9.

Управляющие сигналы y1, у2 попеременно подаются на первые обмотки трансформаторов 1, 2 соответственно, обеспечивая протекание тока через соответствующую обмотку во время действия импульса управляющего сигнала и трансформацию энергии во вторичную цепь, и отсутствие тока первичной цепи в паузе управляющего сигнала.

Пока длительность импульсов сигнала ШИМ не превышает половины периода следования, силовой транзистор 9 работает под управлением сигнала у1, при этом управляющий сигнал y1 на первой обмотке 6 второго трансформатора 2 отсутствует. Причем во время действия импульса управляющего сигнала и протекании тока в прямом направлении через первую обмотку 3 первого трансформатора 1 происходит открывание силового транзистора 9 током, протекающим через вторую обмотку 4 первого трансформатора 1 и диод 12, и запирание транзистора 10 током его третьей обмотки 5 через резистор 19. Обратное напряжение база-эмиттер транзистора 10 при этом фиксировано величиной падения напряжения на диоде 14 и переходе коллектор-база транзистора 11. Во время паузы управляющего напряжения открывается транзистор 10 за счет протекания прямого тока базы через резистор 19, одновременно закрывается диод 12, происходит форсированное запирание силового транзистора 9 и размагничивание трансформатора 1.

При увеличении длительности импульсов сигнала ШИМ свыше половины периода следования, совместно с трансформатором 1, но противофазно, под управлением сигнала y2, вступает в работу трансформатор 2, причем фронт импульса сигнала, поданного на первую обмотку 6 трансформатора 2 совпадает со срезом импульса сигнала, поданного на первую обмотку 3 трансформатора 1. При этом при протекании тока в прямом направлении через первую обмотку 6 трансформатора 2 открывается диод 13, поддерживая открытое состояние транзистора 9, одновременно происходит открывание второго запирающего транзистора 11, который шунтирует переходом коллектор-эмиттер цепь базы первого запирающего транзистора 10, предотвращая его открывание током третьей обмотки 5 первого трансформатора 1, ток которой начинает протекать через резистор 19 и открытый второй запирающий транзистор 11, размагничивая тем самым первый трансформатор 1. По срезу импульса управляющего сигнала у2 происходит запирание второго запирающего транзистора 11 током третьей обмотки 8 второго трансформатора 2, при этом обратное напряжение база-эмиттер транзистора 11 фиксируется величиной прямого падения напряжения на диоде 14, и одновременно открывание транзистора 10 током обмотки 8 через резистор 20 и диод 15. Происходит форсированное запирание транзистора 9 и размагничивание трансформатора 2. После паузы в момент прихода фронта следующего импульса сигнала ШИМ вступает в работу первый трансформатор 1 по сигналу y1 и процесс повторяется.

При коэффициенте заполнения импульсов сигнала ШИМ, равным 1, оба трансформатора 1, 2 работают противофазно в режиме меандра с частотой задающего генератора ШИМ.

В случае формирования сигнала ШИМ с использованием напряжения треугольной формы устройство работает аналогично при выполнении условия соответствия фронтов импульсов сигнала ШИМ и сигнала управления, поданного на первую обмотку первого трансформатора.

На фиг.3 представлен пример построения логической части блока управления для формирования сигналов управления в соответствии с описанием и согласно фиг.2.

Вариант выполнения устройства управления транзисторным ключом для повышения помехоустойчивости имеет дополнительный резистор 23, подключенный между стоком силового 9 и базой первого запирающего 10 транзисторов. Этот резистор обеспечивает надежное закрывание силового транзистора 9 при отсутствии сигналов управления и, следовательно, предотвращение его открывания при воздействии на затвор импульсных помех.

Применение устройства управления транзисторным ключом позволяет расширить диапазон работы силовых ключей на МДП-транзисторах в схемах, где необходима гальваническая развязка цепей управления и силовых цепей, а также повысить кпд преобразователей за счет применения силовых МДП-транзисторов, имеющих более высокие динамические характеристики и меньшие статические потери по сравнению с биполярными транзисторами.

В настоящее время на предприятии ООО "Космос-ЭНВО" изготовлены опытные образцы предлагаемого устройства. Испытания подтвердили их работоспособность, надежность и высокий кпд.

Источники информации

1. Функциональные устройства систем электропитания наземной РЭА / В.В. Авдеев, В.Г. Костиков, А.М. Новожилов, В.И. Чистяков. Под ред. В.Г. Костикова. - М.: Радио и связь, 1990, с.72.

2. Кабелев Б.В. Высокочастотные конверторы на мощных МДП-транзисторах // Электронная техника в автоматике: Сб. статей / Под ред. Ю.И. Конева. - М.: Радио и связь, 1984, вып. 15, c.26.

3. Источники вторичного электропитания / В.А. Головацкий, Г.Н. Гулякович, Ю.И. Конев и др. Под ред. Ю.И. Конева. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Радио и связь, 1990, с.91. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. Устройство управления транзисторным ключом, содержащее первый трансформатор с первой и второй обмотками, ШИМ, силовой транзистор и первый запирающий транзистор, отличающееся тем, что в качестве силового транзистора применен МДП-транзистор, первый трансформатор выполнен трехобмоточным, дополнительно введены блок управления, второй трансформатор с первой, второй и третьей обмотками, второй запирающий транзистор, первый, второй, третий и четвертый диоды, первый, второй, третий, четвертый и пятый резисторы, при этом первые выводы вторых обмоток первого и второго трансформаторов подключены соответственно к анодам первого и второй диодов, катоды которых подключены к точке соединения управляющего вывода силового транзистора, коллектора первого запирающего транзистора и одного из выводов первого резистора, объединенные вторые выводы вторых обмоток первого и второго трансформаторов соединены с первым выводом третьей обмотки первого трансформатора, с другим выводом первого резистора, истоком силового транзистора, эмиттерами первого и второго запирающих транзисторов, анодом третьего диода и одним из выводов третьего резистора, и через второй резистор - со вторым выводом третьей обмотки второго трансформатора, второй вывод третьей обмотки первого трансформатора подсоединен через четвертый резистор к базе первого, коллектору второго запирающих транзисторов и катоду четвертого диода, анод которого через пятый резистор подсоединен ко второму выводу третьей обмотки второго трансформатора, первый вывод которой соединен с другим выводом третьего резистора, катодом третьего диода и базой второго запирающего транзистора, сигнал с ШИМ поступает на вход блока управления, управляющие импульсные сигналы которого y1, у2, поданные на первые обмотки трансформаторов, изменяются в соответствии с логическими выражениями



где x1 - сигнал ШИМ, x2 - меандр с тактовой частотой задающего генератора ШИМ.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в него дополнительно введен резистор, соединяющий сток силового транзистора и базу первого запирающего транзистора.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ:
Гелиоэнергетика - Солнечные электростанции, Солнечные батареи. Солнечные коллекторы;
Ветроэнергетика - Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели;
Волновые электростанции. Гидроэлектростанции;
Термоэлектрические источники тока;
Химические источники тока;
Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ;
Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии;
Генераторы постоянного электрического тока. Электрические машины.



Устройства и способы получения, преобразования, передачи, экономии и сохранения электрической энергии




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+электрический -генератор".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "генератор" будут найдены слова "генераторы", "ренераторов" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("генератор!").


Солнечные электростанции. Гелиоэнергетика | Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели. Ветрогенераторы | Волновые, геотермальные и гидроэлектростанции | Термоэлектрические источники тока | Химические источники тока. Накопители электроэнергии. Батареи и аккумуляторы | Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи электрической энергии | Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии | Генераторы постоянного и переменного электрического тока. Электрические машины


Рейтинг@Mail.ru