Потужний транзисторний ключ

Изобретение относится к полупроводниковым управляемым коммутаторам больших мощностей и может быть использовано в приборостроении, электротехнической промышленности, а также в источниках вторичного электропитания, имеющих в своей основе инвертор или конвертор. Известно, что практически любой биполярный транзистор может быть использован в качестве ключа. Для этого его рабочее состояние должно характеризоваться двумя режимами: режимом отсечки коллекторного тока и режимом насыщения. Однако в таком простом ключе из-за инерционности носителей в моменты включения и выключения, а также из-за реактивности нагрузки возможны такие сочетания коллекторного тока и напряжения, которые выходят за область безопасной работы транзистора, хотя в состоянии "отсечки" и "насыщения" они далеки от ее границ. Для надежной работы такого ключа приходится использовать его с малым коэффициентом использования по току и напряжению. Одним из способов избежания этого недостатка является формирование динамической траектории переключения с помощью малогабаритных реактивных элементов в силовой цепи. Использование реактивных элементов позволяет ограничить скорость нарастания коллекторного тока транзистора при его включении и задержать рост напряжения на его коллекторе при выключении. Известно устройство, которое содержит транзистор, индуктивность, зашунтированную демпфирующей цепочкой, состоящей из последовательно включенных диода и резистора, включенную последовательно с коллектором или эмиттером транзистора, конденсатор, одним выводом подключенный к эмиттеру транзистора, а вторым через диод включенный а прямом направлении по отношению к коллекторному напряжению, подключенный к коллектору транзистора, разрядный резистор, шунтир ующий диод, включенный между конденсатором и коллектором. В известном устройстве индуктивность, включенная последовательно в силовую цепь, ограничивает скорость нарастания коллекторного тока при включении транзистора, а конденсатор, включенный параллельно транзистору, задерживает рост напряжения на коллекторе при выключении транзистора. Демпфирующая цепочка, включенная параллельно индуктивности, служит для рассеивания энергии, запасенной в индуктивности после выключения транзистора. Энергия, запасенная в конденсаторе, рассеивается в разрядном резисторе, включенном между коллектором и конденсатором, 8 момент включения транзистора и непосредственно после включения. Недостаток известного устройства заключается в том, что в интервалах времени между открывающими импульсами конденсатор заряжается до напряжения источника питания, а с приходом открывающего импульса начинает разряжаться через разрядный резистор и транзистор и тем самым подготавливаться для выполнения защитной роли во время выключения транзистора. При этом максимальное значение разрядного тока конденсатора приходится на время формирования фронта, что дополнительно ухудшает перегрузочную ситуацию во время включения транзистора. Таким образом, включение конденсатора известным способом улучшает перегрузочную ситуацию во время выключения транзистора и в то же время ухудшает ее во время включения. Кроме того, ухудшается использование транзистора по току, так как ток разряда конденсатора суммируется с током нагрузки. Поэтому, чтобы суммарный ток не превышал предельно допустимый, необходимо ограничивать ток нагрузки. Уменьшение разрядного тока увеличением сопротивления разрядного резистора приводит к ограничению минимальной длительности токового импульса, так как необходимо, чтобы за время токового импульса конденсатор полностью разрядился. Ограничение токового импульса по длительности нежелательно при использовании транзисторного ключа в устройствах, использующих широтно-импульсное регулирование. Задача, решаемая изобретением, заключается в уменьшении коммутационных перегрузок коммутирующего транзистора во время включения и более полное его использование по току. Это достигается тем, что в устройство, содержкщее коммутирующий транзистор, индуктивность, зашунтированную демпфирующей цепочкой, состоящей из последовательно включенных диода и резистора, и включенную последовательно с коллекторно-эмиггерным переходом коммутирующего транзистора, конденсатор, одним выводом подключенный к эмиттеру коммутирующего транзистора, а вторым выводом через диод, включенный в прямом направлении по отношению к коллекторному напряжению коммутирующего транзистора, подключен к коллектору коммутирующего транзистора, введен дополнительный транзистор, коллектор которого через разрядный резистор подключен к точке соединения конденсатора с диодом, а его эмиттер соединен с эмиттером коммутирующего транзистора. Вновь введенный транзистор обеспечивает путь разряда конденсатора помимо коммутирующего транзистора. Тем самым уменьшается перегрузка коммутирующего транзистора во время включения и появляется возможность более полного его использования по току. На фиг. 1 приведены временные диаграммы напряжений и тока прототипа (UБ -напряжение на базе коммутирующего транзистора, Uk - напряжение на коллекторе коммутирующего транзистора, Іk - ток коллектора); на фиг. 2 - принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства мощного транзисторного ключа; на фиг. 3 -временные диаграммы напряжений и тока предлагаемого устройства (UБ1 - напряжение на базе коммутирующего транзистора, UБ8 - напряжение на базе разрядного транзистора, Ιk8 - ток коллектора разрядного транзистора, Uk1 - напряжение на коллекторе коммутирующего транзистора, Ιk1 - ток коллектора коммутирующего транзистора). Мо щный транзисторный ключ состоит из коммутирующего транзистора 1, индуктивности 2, подключенной одним выводом к коллектору коммутирующего транзистора 1 и зашунтированной демпфирующей цепочкой, состоящей из последовательно включенных резистора 3 и диода 4, цепочки последовательно включенных конденсатора 5 и диода 6, причем конденсатор вторым выводом подключен к эмиттеру коммутирующего транзистора, а диод 6 - к его коллектору, разрядного резистора 7, одним выводом подключенного к точке соединения конденсатора 5 и диода 6, транзистора 8, коллектор которого подключен ко второму выводу разрядного резистора 7, а эмиттер к эмиттеру коммутирующего транзистора 1. Эмиттерный вывод коммутирующею транзистора 1 является одним из силовых выводов ключа, а вывод индуктивности 2, неподключенный к коллектору коммутирующего транзистора 1, - вторым. Диод 4 включен в закрытом состоянии по отношению к напряжению силовой цепи, а диод 6 - в прямом. Силовая цепь и цепи управления транзисторов 1, 2 имеют гальванические развязки, например, с помощью трансформаторов (на фиг. 2 цепи управления не показаны). Ключ работает следующим образом. С приходом фронта открывающего импульса UБ1 на базу коммутирующего транзистора 1 напряжение на коллекторе транзистора 1 начнет снижаться и через время tвкл. включения транзистора достигнет примерно напряжения насыщения. В это же время, но с меньшей скоростью, начинает нарастать ток коллектора. Скорость нарастания тока обусловлена величиной индуктивности 2 и величиной нагрузки. Величина индуктивности выбирается такой, чтобы во всем диапазоне величин нагрузок сочетание величины тока коллектора и величины напряжений на коллекторе за время tвкл., включения транзистора не выходило за рамки области безопасной работы коммутирующего транзистора 1. С задержкой, равной времени включения транзистора 1 (паспортная величина), формируется открывающий импульс U Б8 транзистора 8 длительностью не менее 3t, где t - постоянная времени конденсатора 5 и разрядного резистора 7. С приходом открывающего импульса UБ8 на базу транзистора 8 конденсатор 5, заряженный до величины напряжения силовой цепи в период закрывания коммутирующего транзистора 2 и остающийся заряженным и после его открытия благодаря отсечке диодом 6, начинает разряжаться через разрядный резистор 7 и транзистор 8 и к концу открывающего импульса ива разряжается до напряжения на коллекторе открытого коммутирующего транзистора 1. Необходимым условием является условие разряда конденсатора до начала закрывания коммутирующего транзистора, поэтому длительность импульса, открывающего транзистор 8, должна быть меньше минимальной длительности токового импульса коммутирующего транзистора 1. После окончания открывающего импульса UБ1 коммутирующего транзистора 1 он остается еще открытый в течение времени tpaccac. рассасывания, затем начинается его закрывание. Во время закрывания для тока силовой цепи появляться путь, параллельный коммутирующему транзистору 1, через диод 6 и конденсатор 5, благодаря чему скорость нарастания напряжения на коллекторе коммутирующего транзистора отстает от скорости создания тока в коллекторной цепи, чем также достигается такое сочетание тока коллектора и напряжения на нем, которое не выходит из области безопасной работы, только теперь при закрытии коммутирующего транзистора 1. Ток, протекающий по цепи диод б -·конденсатор 5, во время закрытия коммутирующего транзистора 1 заряжает конденсатор 5. Уменьшение тока в коллекторной цепи коммутирующего транзистора 1 и последовательно æ di ö включенной с ней индуктивности 2 приводит к возникновению на ее висодах электродвижущей силы ç e = -L ÷ dt ø è с полярностью, включенной согласно с напряжением силовой цепи. Чтобы снизить перенапряжение в цепи за счет возникшей э.д.с, необходимо снизить скорость изменения тока в индуктивности, т.е. искусственно увеличить æ Lö постоянную времени ç t = ÷ , что достигается шунтированием индуктивности резистором сравнительно Rø è небольшой величины). В рассматриваемом ключе эту роль выполняет резистор 3. Ток, обусловленный э.д.с. индуктивности, замыкается через резистор 3 благодаря диоду 4, включенному по отношению к э.д.с, в прямом æ Li2 ö ÷ , запасенная в нагнитном поле направлении. Другими словами, на резисторе 3 рассеивается энергия ç W = ç 2 ÷ è ø индуктивности. После окончания переходного процесса (paзpядa индуктивности) напряжение на коллекторе коммутирующего транзистора 1 устанавливается равным напряжению в силовой цепи. С приходом следующего открывающего импульса процесс повторяется. Изобретение обеспечивает повышение надежности работы устройств преобразовательной техники, особенно в тех случаях, если нагрузка носит активно-индуктивный характер, за счет уменьшения коммутационных перегрузок в момент включения, а более полное использование·транзистора по току (20...30%) позволяет·улучшить массо-весовые характеристики. Кроме того, это·ведет к снижению выделения мощности в коммутирующем транзисторе, что позволяет работать на более высоких частотах преобразования. Повышение частоты преобразования, в свою очередь, способствует улучшению массово-весовых характеристик.