Пристрій для управління силовим ключем

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления силовыми ключами различных устройств преобразовательной техники. Известно устройство для управления силовым ключом, содержащее источник постоянного напряжения, связанный через вспомогательный ключевой элемент с управляющим выводом силового ключа, генератор стробимпульсов запуска и запирания, выводы которого подключены к управляющему электроду вспомогательного ключевого элемента и к силовому выводу силового ключа, а также дополнительный источник постоянного напряжения, резистор смещения и диод [1]. К недостаткам устройства относится неудовлетворительная форма управляющего импульса и малая его крутизна, большое число цепей, требующи х развязки, и токовое смещение силового ключа, что приводит к снижению надежности. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство для управления силовым ключом [2], содержащее резистор смещения, два ключа на транзисторах различных типов проводимости, резисторы и диод. Выходом первого ключа является эмиттер П-Р-П транзистора, база которого через первый резистор соединена с отрицательным выводом источника постоянного напряжения и через первую RC-цепь, зашунтированную резистором - с коллектором Р-ПР транзистора, эмиттер которого является входом первого ключа и соединен через диод с базой Р-ПР транзистора, к которой подключен один вывод второго резистора. База и эмиттер этого транзистора предназначены для подачи управляющего сигнала. Коллектор П-Р-П транзистора через вторую RC-цепь, зашунтированную резистором, соединен с одним выводом третьего резистора, другим выводом второго резистора и эмиттером Р-П-Р транзистора второго ключа. Другой вывод третьего резистора подключен к положительному выводу источника постоянного напряжения. Входом второго ключа является эмиттер П-Р-П транзистора, коллектор которого через четвертый резистор соединен с выходом первого ключа. База указанного транзистора через пятый резистор соединена с отрицательным выводом источника постоянного напряжения и через RC-цепь, зашунтированную резистором, - с коллектором, Р-П-Р транзистора, база которого через шестой резистор соединена с общей точкой резисторов смещения. Диод подключен к выводу для подсоединения силового электрода тиристорного ключа. Недостатком устройства является пониженная надежность, что является следствием смещения силового ключа током, Увеличиваются коммутационные потери силовых транзисторов, снижается устойчивость тиристоров к скорости нарастания напряжения. В основу изобретения поставлена задача повышения помехоустойчивости, надежности и устойчивости силовых ключей к скорости нарастания напряжения, а также уменьшения коммутационных потерь благодаря их смещению напряжением. Поставленная задача решается тем, что в устройство для управления силовым ключом, содержащее транзистор первого типа проводимости, вспомогательный ключевой элемент, диод, источник питания, источник напряжения и первый резистор, первый вывод вспомогательного ключевого элемента соединен с первым выводом источника питания, а второй вывод соединен с первым выходным зажимом, предназначенным для подключения к управляющему электроду силового ключа, для подключения к силовому электроду которого предназначен второй выходной зажим, соединенный с первым выводом диода и первым выводом источника напряжения, один из выводов которого соединен с вторым выводом источника питания, причем вспомогательный ключевой элемент выполнен содержащим, по крайней мере, один транзистор второго типа проводимости и резистор, первый вывод которого использован в качестве первого вывода вспомогательного ключевого элемента, а второй вывод соединен с коллектором транзистора второго типа проводимости, эмиттер которого использован в качестве второго вывода вспомогательного ключевого элемента, а база использована в качестве третьего вывода вспомогательного ключевого элемента, соединенного с управляющим входом устройства и первым выводом первого резистора, согласно изобретению, в него введен пороговый элемент, причем последний включен между вторым выводом диода и базой транзистора первого типа проводимости, соединенной с третьим выводом вспомогательного ключевого элемента, второй вывод которого соединен с эмиттером транзистора первого типа проводимости, коллектор которого соединен со вторым выводом первого резистора и вторым выводом источника напряжения. Поставленная задача решается также тем, что введены блок задания длительности запирающего импульса, вспомогательный диод и вспомогательный ключ, причем последний включен между первым выходным выводом и вторым выводом источника напряжения. Причем база транзистора первого типа проводимости соединена с третьим выводом вспомогательного ключевого элемента через вспомогательный диод, а управляющий вход вспомогательного ключа соединен с выходом блока задания длительности запирающего импульса. Введен дополнительный диод, а блок задания длительности запирающих импульсов выполнен с управляющим входом, соединенным через дополнительный диод с первым выходным зажимом. Совокупность существенных признаков заявляемого изобретения обеспечивает повышение помехоустойчивости, надежности и уменьшение коммутационных потерь силовых транзисторов и однооперационных тиристоров, а также повышение устойчивости тиристоров к скорости нарастания напряжения благодаря их смещению напряжением. На фиг.1 приведено устройство для управления силовым ключом (силовым транзистором, тиристором); на фиг.2 - устройство для управления силовым ключом (запираемым тиристором); на фиг.3 - устройство для управления запираемым тиристором с уменьшенным числом цепей управления. Устройство (фиг.1) содержит источник 1 питания, первый вывод которого через вспомогательный ключ 2 на транзисторах различных типов проводимости связан с выводом для подключения управляющего электрода силового ключа 3. Первый вывод дополнительного источника 4 напряжения соединен с выводом для подключения силового электрода силового ключа 3. Второй вывод источника 1 питания подключен к выводу дополнительного источника 4 напряжения. Эмиттер дополнительного транзистора 5, проводимость которого противоположна проводимости выходного транзистора 6 вспомогательного ключа 2, подключен к эмиттеру транзистора 6. База дополнительного транзистора 5 через встречно включенные диод 7 и пороговый элемент (стабилитрон) 8 подключен к первому выводу дополнительного источника 4 напряжения, непосредственно связана с базой выходного транзистора 6, а через резистор 9 подключена к второму выводу дополнительного источника 4 напряжения, связанного с коллектором дополнительного транзистора 5. Дополнительный источник напряжения 4 может быть выполнен как источник постоянного напряжения, так и состоять из резистора 10, подключенного одним выводом к первому выводу источника питания 1, а другим выводом связан через пороговый элемент 11, зашунтированный конденсатором 12, с другим выводом источника питания 1. Последовательно с пороговым элементом 11 может быть включен резистор 13. Вспомогательный ключ 2 выполнен на транзисторах различных типов проводимости 6 и 14. Устройство работает следующим образом. Пусть вспомогательный ключ 2 закрыт и силовой ключ (транзистор) 3 смещен в обратном направлении током, протекающим по цепи: источник питания 1 - резистор 10 - эмиттербазовый переход транзистора 3 - транзистор 5 источник питания 1. Транзистор 5 открыт током, протекающим через резистор 9. Напряжение смещения управляющего перехода силового ключа 3 определяется пороговым элементом 8. Выходной транзистор 6 вспомогательного ключа 2 закрыт падением напряжения на эмиттер-базовом переходе дополнительного транзистора 5, транзистор 14 падением напряжения на диоде 15. Ток проходит по цепи: источник питания 1 - диод 15 - резистор 16 - источник питания 1. При отпирании вспомогательного ключа 2 отпирается транзистор 14 и по цепи источник питания 1 - диод 15 - транзистор 14 - резистор, 17 транзистор 6 - силовой транзистор 3 - конденсатор 12 (резистор 13 - пороговый элемент 11) - источник питания 1 начинает протекать ток, что приводит к появлению тока коллектора транзистора 6. Падение напряжения на резисторе 18 приводит к увеличению тока базы транзистора 14. Происходит лавинообразное отпирание вспомогательного ключа 2. Дополнительный транзистор 5 закрыт падением напряжения на эмиттер-базовом переходе транзистора 6. Диод 7 исключает протекание тока транзисторов 14 и 6 через пороговый элемент 11. После отпирания вспомогательного ключа 2 ток проходит по цепи: источник питания 1 резистор 18 - транзистор 6 - силовой ключ 3 резистор 13 - пороговый элемент 11 - источник питания 1. Напряжение на конденсаторе 12 равно падению напряжения на резисторе 13 и пороговом элементе 11. При выключении вспомогательного ключа 2 уменьшается ток транзистора 14, ток коллектора транзистора 6, что приводит к дальнейшему уменьшению тока транзистора 14. Происходит лавинообразное выключение вспомогательного ключа 2. Током смещения отпирается дополнительный транзистор 5, транзистор 6 запирается падением напряжения на эмиттербазовом переходе транзистора 5. Ток выключения силового ключа 3 проходит по цепи конденсатор 12 - эмиттер-базовый переход транзистора 3 транзистор 5 - конденсатор 12 и равен произведению тока смещения транзистора 5 на его коэффициент усиления. После восстановления запирающей способности в обратном направлении управляющего перехода силового ключа 3, напряжение смещения на нем определяется пороговым элементом 8. Протекание значительного по амплитуде выключающего тока приводит к существенному уменьшению времени выключения силового ключа (транзистора) 3, потерь при выключении, снижению температуры и, соответственно, повышению надежности. Уменьшению потерь в силовом ключе (транзисторе) 3 способствует также смещение управляющего перехода ключа в обратном направлении. Для управления запираемыми тиристорами при одновременном повышении надежности введены блок 19 задания длительности запирающего импульса (фиг.2) и второй вспомогательный ключ 20 и подсоединены к выводу для подключения управляющего электрода силового ключа (запираемого тиристора) 3 и к второму выводу дополнительного источника напряжения 4. Выход блока 19 задания длительности запирающего импульса связан со входом второго вспомогательного ключа 20. Между базами дополнительного транзистора 5 и выходного транзистора 6 вспомогательного ключа 2 включен диод 21. Пусть в исходном состоянии вспомогательные ключи 2 и 20 закрыты. К управляющему переходу силового ключа 3 в обратном направлении приложено напряжение, определяемое пороговым элементом 8. Дополнительный транзистор 5 обеспечивает стабилизацию напряжения на управляющем переходе силового ключа 3, величина которого задается пороговым элементом 8. Поэтому заданный уровень напряжения будет обеспечен и при возрастании тока через управляющий переход силового ключа 3 при высокой скорости нарастания напряжения на ключе. При отпирании вспомогательного ключа 2 дополнительный транзистор 5 запирается падением напряжения на эмиттер-базовом переходе транзистора 6 вспомогательного ключа 2. При выключении вспомогательного ключа 2 блок 19 задания длительности запирающего импульса отпирает. второй вспомогательный ключ 20. По цепи источник напряжения 4 вспомогательный ключ 20 - управляющий переход силового ключа 3 - источник напряжения 4 проходит ток и силовой управляемый вентиль запираемый тиристор) 3 выключается. Диод 21 препятствует протеканию тока по цепи: источник напряжения 4 - ключ 20 - эмиттер базовый переход транзистора 6 - пороговый элемент 8 - диод 7 - источник напряжения 4. К эмиттер-базовому переходу дополнительного транзистора 5 прикладывается напряжение 7 - 10В. При необходимости для ограничения запирающего напряжения к транзистору 5 могут быть подключены резистор 22 и диоды 23 и 24. В случае включения последовательно со вторым вспомогательным ключом 20 резистора 25 запирающее напряжение на транзисторе 6 может быть ограничено диодом 26 и пороговым элементом 27. Резистор 28 обеспечивает запирание транзистора 6 при открытом ключе 20. По окончании запирающего импульса вспомогательный ключ 20 закрывается. Смещение в обратном направлении управляющего перехода силового ключа 3 обеспечивается дополнительным транзистором 5. Для уменьшения мощности дополнительного транзистора 5 и повышения надежности коллектор указанного транзистора подключен к базе выходного транзистора 29 другого типа проводимости вспомогательного ключа 20, а управляющий вход блока 19 задания длительности запирающего импульса, выполненного на транзисторах 30 и 31 различных типов проводимости, через диод 32 связан с коллектором выходного транзистора 29 вспомогательного ключа 20 (фиг.3). В блоке 19 задания длительности запирающего импульса база первого транзистора первого типа проводимости 30 через первый резистор 33 и диод 32 связана с коллектором выходного транзистора другого типа проводимости 29, а через диод 34 связана с эмиттером транзистора 30, который через резистор 35, зашунтированный конденсатором 36 и пороговым элементом 37, подсоединен к эмиттеру второго транзистора другого типа проводимости 31, подключенному через диод 38, зашунтированный конденсатором 39, ко второму силовому выводу второго вспомогательного ключа 20, который через резистор 40 соединен с базой транзистора 31, которая через резистор 41 подключена к коллектору первого транзистора 30. Коллектор транзистора 31 через последовательно соединенные диод 42 и резистор 43 соединен с базой транзистора 30, которая через резистор 44 соединена с эмиттером транзистора 31. Во втором вспомогательном ключе 20 база первого транзистора первого типа проводимости 45 через резистор 46 подключена к первому выводу источника постоянного напряжения 1, через резистор 47 подключена к коллектору транзистора 31 блока 19 задания длительности запирающего импульса, а через диод 48 соединена с эмиттером транзистора 45, соединенным с выводом для подключения силового электрода силового ключа (запираемого тиристора) 3. Коллектор транзистора 45 через резистор 49 соединен с базой транзистора другого типа проводимости 29, соединенной через резистор 50 с его эмиттером и вторым выводом дополнительного источника напряжения 4. Коллектор транзистора 29 соединен с выводом для подключения управляющего электрода силового ключа 3. При необходимости коллектор транзистора 29 может быть соединен с выводом для подключения управляющего электрода силового ключа 3 через резистор 25. При закрытом силовом ключе 3 на его управляющем переходе стабилизатором напряжения на транзисторах 5 и 29 поддерживается напряжение смещения, задаваемое пороговым элементом 8. Транзистор 29 выбирают из условия выключения запираемого тиристора З при максимальном токе, поэтому при выборе соответствующего напряжения смещения может быть повышена устойчивость запираемого тиристора к скорости нарастания прямого напряжения и, соответственно, повышена надежность. При отпирании вспомогательного ключа 2 запирается транзистор 5, конденсатор 36 заряжается до напряжения на пороговом элементе 37 по цепи: источник питания 1 -резистор 18 транзистор 6 - резистор 25 -диод 32 - резистор 33 диод 34 - конденсатор 36 - диод 38 - источник питания 1. Ток проходит также по цепи: источник питания 1 - резистор 18 - транзистор 6 управляющий переход силового ключа 3 - источник напряжения 4 - источник питания 1. Пороговый элемент 51 включается при отсутствии обратной проводимости источника напряжения 4. Напряжение источника питания 1 выше напряжения дополнительного источника напряжения 4. При запирании вспомогательного ключа 2 конденсатор 36 начинает разряжаться по цепи: конденсатор 36 - эмиттер-база транзистора 30 резистор 44 - конденсатор 36, что приводит к появлению тока в цепи конденсатор 36 транзистор 30 - резистор 41 - база транзистора 31 конденсатор 36 и протеканию тока коллектора 31 по цепи: конденсатор 36 - транзистор 30 - резистор 43 - диод 42 - транзистор 31 - конденсатор 36. Происходит лавинообразное отпирание транзисторов 30 и 31. Начинает протекать ток по цепи: источник напряжения 4 - транзистор 45 резистор 47 - транзистор 31 - диод 38 - источник напряжения 4, а также по цепи источник напряжения 4 - транзистор 45 - резистор 49 транзистор 29 - источник напряжения 4 и транзистор 29 открывается. По цепи источник напряжения 4 - управляющий переход силового ключа 3 - резистор 25 - транзистор 29 - источник напряжения 4 проходит ток и силовой ключ 3 запирается. В режиме насыщения напряжение коллектора транзистора 29 является стабильным и сравнительно небольшим, что позволяет повысить надежность работы устройства. Диод 32 исключает разряд конденсатора 36 через резистор 33 и транзистор 29, поэтому сопротивление резистора 33 может быть уменьшено. Уменьшается минимальная длительность импульса напряжения на нагрузке (длительность открытого состояния силового ключа 3). По мере разряда конденсатора 36 уменьшается ток базы транзисторов 30 и 31. После выхода транзисторов 30 и 31 из режима насыщения начинается лавинообразное выключение транзисторов 30 и 31, Запирается транзистор 45. Стабилизатор на транзисторах 5 и 29 начинает поддерживать стабильное напряжение на управляющем переходе силового ключа 3.