Пристрій захисту високовольтного ключа
Номер патенту: 23135
Опубліковано: 30.06.1998
Автори: Антошин Сергій Володимирович, Переверзев Анатолій Васильович
Формула / Реферат
1. Устройство защиты высоковольтного ключа, содержащее индуктивность с шунтирующим обратным диодом, один вывод которой соединен с первым выходным выводом ключевого транзистора, другой - с полюсом высоковольтного источника питания, конденсатор, один вывод которого соединен со вторым выходным выводом ключевого транзистора, со вторым полюсом высоковольтного источника питания и общей шиной ключа, отличающееся тем, что дополнительно содержит МДП-транзистор, резистор и стабилитрон, исток МДП-транзистора соединен со вторым выводом конденсатора, сток - с первым выходным выводом ключевого транзистора, а затвор соединен с выводами резистора и стабилитрона, вторые выводы которых подключены, соответственно, к первому и второму полюсам высоковольтного источника питания
2. Устройство защиты высоковольтного ключа по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит диод и второй конденсатор, первый вывод которого соединен с общей шиной ключа, а второй вывод через диод соединен со вторым выводом первого конденсатора.
Текст
Изобретение относится к области силовой электроники и может найти применение в силовых ключах преобразователей напряжения и частоты, во вторичных источниках питания, в других силовых устройствах. Для достижения надежной работы преобразовательных устройств, содержащих ключи на мощных силовых транзисторах, необходимо обеспечить уменьшение мощности динамических потерь в транзисторах и исключение их опасных электрических режимов, вызванных коммутационными токами и перенапряжениями. Это достигается формированием оптимальной траектории переключения. Наиболее простым устройством формирования траектории переключения и индивидуальной защиты транзисторов является использование RC-группы, с помощью которой удается задержать нарастание напряжения на транзисторы при выключении на время, за которое происходит уменьшение тока до безопасной величины [Rostering W., Tschorn M. Richtigere ansteuern und Vormeilhaffen schumr Von LTR Moghelen ETZ, 1988, T.109, N 19, S.894-896, 898-899]. Такая RC-цепь подключается параллельно ключевому транзистору между эмиттером и коллектором у биполярных и между стоком и истоком у полевых транзисторов. Недостатком такой защиты является возрастание мощности потерь в схеме ключа, т.к. на резисторе выделяется мощность, как при заряде, так и при разряде конденсатора, что с увеличением частоты приводит к недопустимо большим потерям мощности. Недостатком также является наличие дополнительной нагрузки по току при включении ключевого транзистора вследствие разряда конденсатора, заряженного до высокого напряжения, кроме того, резистивно-емкостное звено не обеспечивает формирование безопасной траектории переключения при включении ключевого транзистора. Траекторию, близкую к требуемой, позволяет сформировать устройство защиты, содержащее индуктивность, включенную между выходным выводом ключевого транзистора и полюсом высоковольтного источника питания, зашунтированную последовательно включенными диодом и резистором, и конденсатор, который через диод соединен с одним выводом индуктивности, а через резистор - с другим выводом индуктивности. Второй вывод конденсатора соединен с общей шиной ключа [Источники вторичного питания. В.А.Головацкий, Г.Н.Тулянович, Ю.И.Конев и др. Под ред. Ю.И.Конева. - 2-е изд. перераб. и допол. М., Радио и связь, 1990, с. 106]. При выключении силового ключевого транзистора ток нагрузки начинает протекать через диод и конденсатор, заряжая последний, благодаря чему замедляется рост напряжения на ключевом транзисторе. В результате выключение ключевого транзистора происходит при малом напряжении на его выходных выводах. Вследствие уменьшения тока в нагрузке, начинается рост напряжения самоиндукции на индуктивности и при достижении величины более, чем напряжение питания открывается диод, шунтирующий индуктивность и предотвращает перенапряжение на выводах ключевого транзистора. При включении транзистора последовательно включенная индуктивность препятствует быстрому росту тока через транзистор на время, за которое пройдет спад напряжения на его выходных выводах до безопасной величины. Таким образом, данное устройство формирует траекторию переключения, обеспечивая исключение опасных режимов как при включении, так и при выключении ключевого транзистора. Недостатком данного устройства защиты является следующее. Поскольку конденсатор заряжается до высокого напряжения, то в нем накапливается большая энергия, которая затем рассеивается на резисторе и ключевом транзисторе при включении. Кроме того, емкость конденсатора препятствует быстрому спаду напряжения на ключевом транзисторе при его включении, что также приводит к увеличению потерь в ключевом транзисторе и требует увеличения индуктивности с целью обеспечения более длительной задержки ключевого транзистора, что в свою очередь приводит к увеличению потерь при выключении транзистора. В целом, кроме увеличения потерь, увеличение номиналов элементов защиты приводит к уменьшению рабочей частоты ключа. Кроме того, высоковольтные демпфирующие конденсаторы имеют неудовлетворительные массогабаритные показатели, что особенно существенно в интегральных силовых модулях. Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому является устройство защиты высоковольтного ключа на основе диода с накоплением заряда, которое позволяет уменьшить емкость конденсатора и тем самым уменьшить потери и увеличить частоту переключения ключа [Источники вторичного питания. В.А.Головацкий, Г.Н.Тулянович, Ю.И.Конев и др. Под ред. Ю.И.Конева. 2-е изд.перераб. и до-полн., М., Радио и связь, 1990, с.107]. Данное устройство защиты содержит индуктивность с шунтирующим обратным диодом в выходной цепи высоковольтного ключа, один вывод которой соединен с выходным выводом ключевого транзистора, другой с полюсом высоковольтного источника питания, конденсатор, один вывод которого через цепочку из параллельно включенных диода и резистора соединен с первым выводом индуктивности и выходным выводом ключевого транзистора, а второй вывод соединен со вторым выходным выводом ключевого транзистора и вторым полюсом высоковольтного источника питания и общей шиной ключа, содержит также диод с накоплением заряда, один вывод которого соединен с первым выходным электродом транзистора, второй через цепочку из параллельно соединенных диода и резистора с полюсом дополнительного источника питания, второй полюс которого соединен с общей шиной ключа. В данном устройстве защиты в открытом состоянии ключевого транзистора от высоковольтного источника питания через резистор, диод с накоплением заряда и транзистор протекает ток, приводящий к накоплению зарядов в базе прямосмещенного диода. При выключении ключевого транзистора, диод не успевает быстро восстановить закрытое состояние и через него течет ток нагрузки. За время восстановления обратного сопротивления диода ключевой транзистор успевает полностью закрыться, а напряжение на нем остается практически неизменным и равным напряжению дополнительного источника питания. Емкость конденсатора при этом может быть сведена к минимуму, или даже он полностью может быть исключен. Недостатками данного устройства защиты являются наличие дополнительного источника питания, выделение дополнительной мощности потерь при протекании большого тока через диод и транзистор в открытом состоянии ключевого транзистора, отсутствие необходимой номенклатуры диодов с накоплением заряда на требуемые напряжения и времени задержки. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования устройства защиты высоковольтного ключа путем замены диода с накоплением заряда МДП-транзистором, что обеспечивает уменьшение статических и динамических потерь, увеличение частоты переключения и исключение дополнительного источника питания. Для решения поставленной задачи устройство защиты высоковольтного ключа, содержащее индуктивность с шунтирующим обратным диодом, один вывод которой соединен с первым выходным выводом ключевого транзистора, другой - с полюсом высоковольтного источника питания, конденсатор, один вывод которого соединен со вторым выходным выводом ключевого транзистора, со вторым полюсом высоковольтного источника питания и общей шиной ключа согласно изобретению дополнительно содержит МДП-транзистор, резистор и стабилитрон, исток МДП-транзистра соединен со вторым выводом конденсатора, сток - с первым выходным выводом ключевого транзистора, а затвор соединен с выводом резистора и стабилитрона, вторые выводы которых подключены соответственно к первому и второму полюсам высоковольтного источника питания. Устройство защиты высоковольтного ключа может также дополнительно содержать второй конденсатор и диод, один вывод диода соединен со вторым выводом первого конденсатора, а второй вывод - с первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого соединен с общей шиной ключа. Использование МДП-транзистора позволяет исключить дополнительный источник питания, а также применить низковольтные конденсаторы и стабилитрон, имеющие меньшую массу и габариты, более широкую номенклатуру номиналов. Применение второго конденсатора и диода дает возможность часть энергии, выделяемой при переключении, использовать для питания устройства управления ключевым транзистором. Принципиальная схема устройства защиты высоковольтного ключа приведена на чертеже. Устройство содержит МДП-транзистор 1, сток которого соединен с выходным выводом ключевого транзистора 2 (в данном случае в качестве ключевого транзистора представлен МДП-транзистор) и выводом индуктивности 3, зашунтированной обратным диодом 4, второй вывод которой соединен с полюсом высоковольтного источника питания 5. Исток МДП-транзистора 1 соединен с выводом конденсатора 6, второй вывод которого соединен со вторым выходным выводом ключевого транзистора, вторым, полюсом высоковольтного источника питания и общей шиной ключа 7. Затвор МДП-транзистра 1 соединен с выводом резистора 8 и стабилитрона 9. Второй вывод резистора 8 соединен с полюсом 5, второй вывод стабилитрона с полюсом 7 высоковольтного источника питания. Управляющий сигнал подается на вход ключевого транзистора - на затвор 10 МДП-транзистора 2. Вывод диода 11 соединен с выводом конденсатора 6 и выводом конденсатора 12, второй вывод которого соединен с общей шиной ключа. Работает защитное устройство следующим образом. При наличии высокого потенциала на входе ключевого транзистора (на затворе 10 МДП-транзистора 2), превышающего пороговое напряжение, он открыт, на его стоке низкий потенциал, близкий к нулю. Конденсатор 6 разряжен, напряжение на нем практически равно напряжению сток-исток ключевого транзистора 2, т.к. МДП-транзистор 1 открыт, сопротивление канала его мало вследствие того, что на затворе с помощью стабилитрона 9 и резистора 8 задано напряжение, существенно превышающее его пороговое напряжение. Такое состояние соответствует включенному состоянию ключа. При уменьшении напряжения на затворе транзистора 2 до значения меньше, чем пороговое напряжение, он начнет закрываться. Напряжение на его стоке начнет возрастать, начнется заряд конденсатора 6 через канал транзистора 1, препятствуя тем самым быстрому росту напряжения на стоке ключевого транзистора 2. Конденсатор 6 заряжается до значения напряжения, равного разности между напряжением на стабилитроне и пороговым напряжением МДП-транзистора 1. За время заряда конденсатора 6, ключевой транзистор полностью закрывается. Закрывается также и МДП-транзистор 1, т.к. напряжение между затвором и истоком становится равным пороговому, в результате чего конденсатор 6 оказывается отключенным от стока ключевого транзистора и более не препятствует росту напряжения на нем. Далее рост напряжения на ключевом транзисторе происходит быстро. Поскольку ток через ключевой транзистор уже прекратился, то рост напряжения на стоке уже не приводит к перегрузке ключевого транзистора. При возрастании напряжения на стоке ключевого транзистора вследствие влияния индуктивности более чем напряжение высоковольтного источника питания открывается диод 4 и замыкает цепь протекания тока индуктивности 3, исключая тем самым перенапряжение транзистора. Ключ переходит в состояние "выключено". При поступлении отпирающего напряжения на затвор МДП-транзистора 2, он открывается. Благодаря индуктивности появление тока через ключевой транзистор задерживается на некоторое время. В это время происходит уменьшение напряжения на ключевом транзисторе, т.к. происходит разряд емкостей затвор-сток транзисторов 1 и 2 и других паразитных емкостей схемы через открытый транзистор 2. Конденсатор 6 остаётся заряженным и отключенным от стока транзистора 2 и не участвует в переходном процессе, пока напряжение на стоке ключевого транзистора не станет меньше напряжения на конденсаторе 6, после чего открывается переход подложка сток и начинается разряд конденсатора через транзистор 2. Так как разряд происходит при малом напряжении, то перегрузки ключевого транзистора не происходит. После разряда конденсатора ключ переходит в состояние "включено". Далее процессы повторяются. На конденсаторе 12 накапливается энергия в момент, когда идет заряд конденсатора 6 и может быть использована для питания устройства управления ключом. Во время разряда конденсатора 6 диод 11 отключит от него конденсатор 12, исключая тем самым его разряд. Таким образом введение МДП-транзистора позволяет исключить дополнительный источник питания, использовать низковольтные конденсаторы и накапливать энергию для питания устройства управления. Поскольку заряд конденсатора происходит при малых напряжениях, уменьшается мощность статических и динамических потерь. Кроме того, конденсатор оказывается отключенным большую часть переходного процесса от ключевого транзистора, что эквивалентно уменьшению его емкости, а, следовательно, рабочая частота такого ключа может быть выше, чем у известных ключей. Подключение второго дополнительного конденсатора позволяет использовать часть энергии процесса выключения транзистора для питания устройства управления ключа и тем самым повысить экономичность ключа.
ДивитисяДодаткова інформація
Назва патенту англійськоюDevice for protection of high-voltage switch
Автори англійськоюPereverzev Anatolii Vasyliovych, Antoshyn Serhii Volodymyrovych
Назва патенту російськоюУстройство защиты высоковольтного ключа
Автори російськоюПереверзев Анатолий Васильевич, Антошин Сергей Владимирович
МПК / Мітки
МПК: H02H 7/10
Мітки: захисту, високовольтного, ключа, пристрій
Код посилання
<a href="https://ua.patents.su/3-23135-pristrijj-zakhistu-visokovoltnogo-klyucha.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Пристрій захисту високовольтного ключа</a>
Попередній патент: Спосіб зведення фундаменту
Наступний патент: Термохімічний склад для паяння-зварювання
Випадковий патент: Пристрій для дифузійного зварювання тришарових стільникових панелей