Пристрій формування траєкторії перемикання високовольтного транзистора

Изобретение относится к области силовой электроники и может найти применение в силовых ключах преобразователей напряжения и частоты, во вторичных источниках питания, в други х силовы х 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. Наиболее эффективно это достигается разгрузкой транзисторов по току и напряжению путем формирования оптимальной динамической траектории переключения с помощью малогабаритных реактивных элементов в силовой цепи и рационального построения цепей управления. Наиболее простым устройством формирования траектории переключения и индивидуальной защиты транзисторов является использование RC-цепи, с помощью которой удается задержать нарастание напряжения на транзисторе при выключении на время, за которое происходит уменьшение тока до безопасной величины [Bosterling W., Tscharn M. Richtiges ansteuern und Vormeilhaften schumz von LTR Modulen. ETZ, 1988. — T.109. — №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 цепи является возрастание мощности потерь в схеме ключа, т.к. на резисторе R выделяется мощность как при заряде, так и при разряде конденсатора, что с увеличением частоты приводит к недопустимо большим потерям мощности. Лучшими свойствами обладает устройство формирования траектории, содержащее резистор, диод и конденсатор. В этом случае параллельно резистору включают диод, который шунтирует резистор при заряде конденсатора, уменьшая тем самым мощность потерь. [Ромаш Э.М., Драбович Ю.И., Юрченко Н.И., Шевченко П.Н. Высокочастотные транзисторные преобразователи. — М.. Радио и связь, 1988, — С.71]. Недостатком указанного устройства является то, что при включении ключевого транзистора разряд конденсатора осуществляется через открывающийся транзистор, вызывая дополнительную нагрузку по току. Вся накопленная в конденсаторе при выключении транзистора энергия рассеивается на резисторе и транзисторе. Диодно-резистивно-емкостное звено позволяет осуществлять задержку нарастания напряжения на ключевом транзисторе при выключении и не способствует формированию безопасной траектории переключения при выключении. В этом случае, как известно, используется индуктивность, включенная последовательно с ключевым транзистором [Ромаш Э.М., Драбович Ю.И., Шевченко П.Н. Высокочастотные транзисторные преобразователи. — М.: Радио и связь, 1988. — С. 71]. Недостатком резистивно-емкостного звена также является неэффективная защита от перенапряжений при наличии индуктивности в схеме ключа обусловленной нагрузкой, паразитной индуктивности или индуктивности специально введенной, для задержки нарастания тока при открывании транзистора. Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому устройству является устройство формирования траектории переключения высоковольтного транзистора, содержащее резистивно-емкостное звено с шунтир ующим резистор диодом, ограничитель напряжения, включенные параллельно ключевому транзистору и индуктивность, включенную последовательно с ключевым транзистором в цепи нагрузки [Bosterling W., Tscharn M., Richtiges ansteuern und Vormeilhaften schumz von LTR - Modulen. ETZ, 1988. — T. 109 — №19. — S. 894-896, 898-899]. Это устройство формирования траектории переключения состоит из конденсатора, соединенного последовательно с диодом и подключенного параллельно диоду, резистора и обратно включенного диода, пробивное напряжение которого определяется допустимым рабочим напряжением коллектор-эмиттер биполярного или сток-исток полевого транзисторов. При выключении силового ключевого транзистора ток нагрузки начинает протекать через диод и конденсатор, заряжая последний. Напряжение на конденсаторе растет и практически повторяет напряжение на ключевом транзисторе. Этим достигается задержка роста напряжения на ключевом транзисторе. При достижении напряжения на транзисторе определенной величины срабатывает ограничитель напряжения и рост напряжения на транзисторе прекращается, чем и обеспечивается защита от перенапряжения. При включении транзистора последовательно включенная индуктивность препятствует быстрому росту тока через транзистор на время, за которое произойдет спад напряжения до безопасной величины. Таким образом, данноеустройство формирования траектории переключения обеспечивает и исключение опасных режимов как при включении, так и при выключении ключевого транзистора. Недостатками данного устройства формирования траектории и защиты являются те же, что и в описанных выше за щитных цепях. 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 демпфирующего 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 тока 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. К недостаткам описанного устройства переключения следует также отнести отсутствие требуемой номенклатуры по напряжениям и токам высоковольтных ограничителей напряжения. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования устройства формирования траектории переключения высоковольтного транзистора путем введения дополнительного статического индукционного транзистора, что обеспечивает уменьшение динамических потерь в высоковольтном ключе, увеличение частоты переключений, расширение диапазона ограничения напряжений на ключевом транзисторе. Для решения поставленной задачи устройство формирования траектории переключения высоковольтного транзистора, содержащее индуктивность, включенную в цепи нагрузки, конденсатор и стабилитрон, включенные параллельно выходным выводам ключевого транзистора, согласно изобретению дополнительно содержит статический индукционный транзистор, затвор которого соединен с первым выводом ключевого транзистора и общей шиной ключа, сток соединен со вторым выводом ключевого транзистора и первым выводом индуктивности, второй вывод которой через сопротивление нагрузки соединен с полюсом высоковольтного источника питания, исток статического индукционного транзистора соединен с первыми выводами конденсатора и стабилитрона, вторые выводы которых соединен с общей шиной ключа. Устройство формирования траектории переключения высоковольтного транзистора может также дополнительно содержать делитель из двух резисторов или из резистора и стабилитрона, включенный между истоком статического индукционного транзистора и общей шиной ключа, к средней точке которого подключен затвор статического индукционного транзистора. Использование статического индукционного транзистора (СИТ) позволяет применять низковольтные конденсатор и стабилитрон, имеющие меньше массу и габариты и более широкую номенклатур у по номиналам. Кроме того, СИТ позволяет легко в пределах его пробивных напряжений сток-затвор менять ограничивающее напряжение на ключевом транзисторе. Принципиальная схема устройства формирования траектории с ключевым МДП-транзистором и нагрузкой приведена на рис. 1-2. Устройство содержит статический индукционный транзистор (СИТ) 1, выводом затвора соединенный с общей шиной ключа 2 и с истоком ключевого МДП-транзистора 3. Сток СИТ соединен со стоком ключевого МДП-транзистора и с первым выводом индуктивности 4, второй вывод которой через сопротивление нагрузки 5 соединен с полюсом высоковольтного источника питания 6. Исток СИТ соединен с первыми выводами конденсатора 7 и стабилитрона 8, вторые выводы которых соединены с общей шиной ключа. Управляющий сигнал подается на затвор 9 ключевого МДП-транзистора. Устройство работает следующим образом. При наличии высокого потенциала на затворе 9 ключевого МДП-транзистора 3, больше порогового напряжения, он открыт, на его стоке низкий потенциал, близкий к нулю. Конденсатор 7 разряжен, напряжение на нем практически равно потенциалу стока МДП-транзистора 3, т.к. СИТ 1 открыт и сопротивление канала его мало. При уменьшении напряжения на затворе ключевого МДП-транзистора до нуля он начинает закрываться, потенциал на его стоке повышается, начинает заряжаться конденсатор 7 через сопротивление канала СИТ 1. Поскольку сопротивление канала СИТ мало, практически весь ток, протекавший через МДП, начинает протекать через канал СИТ, заряжая конденсатор 7, При этом облегчаются условия запирания ключевого транзистора. По мере заряда конденсатора 7, сопротивление канала СИТ растет и растет напряжение на стоке МДП и СИТ транзисторов. При некотором значении напряжения на стоке СИТ практически полностью закрывается, т.к. напряжение на конденсаторе достигает напряжения отсечки, и отключает конденсатор 7 от стока ключевого МДПтранзистора. Далее скорость роста напряжения на стоке возрастает и если напряжение превысит определенную величину, например, напряжение источника питания, за счет накопленной в индуктивности энергии, откроется СИТ-транзистора и ток индуктивности начнет протекать через СИТ и стабилитрон 8, вследствие чего рост напряжения на стоке МДП-транзистора прекратится, тем самым предупреждается возможность пробоя МДП-транзистора. При включении МДП-транзистора, когда напряжение затвора станет больше порогового напряжения, начнет уменьшаться напряжение на стоке ключевого МДП-транзистора, причем спад напряжения. будет проходить быстро, т.к. демпфирующий конденсатор 7 отключен от стока МДП-транзистора большим сопротивлением канала СИТ. Задержка тока стока ключевого МДП-транзистора обеспечивается индуктивностью 4. Разряд конденсатора 7 через сопротивление каналов СИТ и МДП-транзистора, начнется, когда напряжение на стоке МДП-транзистора станет меньше напряжения отсечки СИТ. Следовательно, большой ток через МДП-транзистор начнет протекать, когда напряжение на нем примет малую величину. Далее процессы повторяются. Таким образом, введение СИТ позволяет использовать низковольтные конденсатор и стабилитрон, тем самым уменьшить к ним требования. Заряд и разряд конденсатора происходит при малых напряжениях, благодаря чему уменьшается мощность потерь. Кроме того, конденсатор оказывается отключенным большую часть переходного процесса, что эквивалентно уменьшению его емкости, а, следовательно, рабочая частота такого ключа может быть выше, чем при использовании обычных RC-цепей. Кроме того, СИТ снимает перенапряжение в ключе, открываясь благодаря триодному типу характеристик, когда напряжение на стоке превышает заранее заданную величину, которая может быть определена из условия: Uси пр = Kбл × Uст, где Uси пр - предельно допустимое напряжение на ключевом транзисторе; Uст - напряжение стабилизации стабилитрона; Kбл - коэффициент блокирования СИТ-транзистора, величина которого определяется из выходных характеристик СИТ. Вследствие того, что СИТ транзисторы имеют разброс по напряжению отсечки и коэффициенту блокирования, более точная установка напряжения отпирания СИТ а, следовательно, и напряжения ограничения на ключевом транзисторе возможна включением делителя из двух резисторов 10 и 11 или из резистора и стабилитрона между истоком СИТ и общей шиной ключа, а к средней точке подключить затвор СИТ (рис.2). Тогда, меняя соотношение между резисторами, можно установить напряжение ограничения с требуемой точностью.