RU2208894C2

RU2208894C2 - Device for shaping power transistor control pulse

Info

Publication number: RU2208894C2
Application number: RU2001113526/09A
Authority: RU
Inventors: Д.Г. Ваганов
Original assignee: Открытое акционерное общество "АВТОВАЗ"
Priority date: 2001-05-16
Filing date: 2001-05-16
Publication date: 2003-07-20

Abstract

FIELD: converter engineering; building output stages of power transistor control systems for static converters or electric drives. SUBSTANCE: device that has dc-to-alternate-rectangular- burst voltage converter incorporating transformer at output and control signal source at input, rectifier bridge at transformer output, resistor, and capacitor is provided in addition with p-n-p transistor and diode that function to connect power transistor gate to negatively charged capacitor lead, and current-limiting resistor used to limit capacitor charging current, all of them being newly introduced to generate control pulse. EFFECT: enhanced speed of driving power transistor in conduction and cutting it off. 1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при построении выходных каскадов систем управления силовыми транзисторами статических преобразователей или электроприводов. The invention relates to a conversion technique and can be used in the construction of output stages of power transistor control systems for static converters or electric drives.

Известны формирователи (Авт. свид. СССР 1714767, Н 02 М 1/08, 1990), состоящие из генератора промежуточной частоты, первого, второго и третьего трансформаторов, первого и второго диодно-транзисторного коммутаторов, первого и второго выпрямителей, первого транзистора в выходной цепи первого выпрямителя и второго транзистора в выходной цепи второго выпрямителя. При этом положительная часть управляющего напряжения силового транзистора формируется вторым трансформатором и первым выпрямителем, отрицательная часть управляющего напряжения формируется третьим трансформатором и вторым выпрямителем. Known shapers (Aut. Certificate. USSR 1714767, H 02 M 1/08, 1990), consisting of an intermediate frequency generator, first, second and third transformers, first and second diode-transistor switches, first and second rectifiers, the first transistor in the output circuit of the first rectifier and the second transistor in the output circuit of the second rectifier. In this case, the positive part of the control voltage of the power transistor is formed by the second transformer and the first rectifier, the negative part of the control voltage is formed by the third transformer and the second rectifier.

Однако приведенные устройства имеют большое количество моточных изделий трансформаторов. However, the above devices have a large number of winding transformer products.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство для формирования импульса управления силовым транзистором (Авт. свид. СССР 1467688, Н 02 М 1/08, 1989), содержащее преобразователь постоянного напряжения в знакопеременное прямоугольное с трансформатором на выходе, выполненный в виде двухтактного транзисторного инвертора, к базам транзисторов которого через элементы И подключены противофазные выходы задающего генератора и выход источника напряжения управления. Вторичная обмотка трансформатора выполнена со средней точкой и подключена к входу мостового выпрямителя на первом, втором, третьем и четвертом диодах, выход которого нагружен на резистор. Между отрицательным полюсом выпрямителя и средней точкой вторичной обмотки трансформатора включен конденсатор. Положительный полюс выпрямителя подключен к базе силового транзистора n-p-n-типа, эмиттер которого подключен к средней точке вторичной обмотки трансформатора. The closest in technical essence to the proposed device is the selected device as a prototype for generating a control pulse of a power transistor (Auth. Certificate. USSR 1467688, Н 02 М 1/08, 1989), containing a constant-voltage converter into an alternating rectangular transformer with an output transformer, made in the form of a push-pull transistor inverter, to the bases of the transistors of which, through the elements And, the antiphase outputs of the master oscillator and the output of the control voltage source are connected. The secondary winding of the transformer is made with a midpoint and connected to the input of the bridge rectifier on the first, second, third and fourth diodes, the output of which is loaded on the resistor. A capacitor is connected between the negative pole of the rectifier and the midpoint of the secondary winding of the transformer. The positive pole of the rectifier is connected to the base of the n-p-n-type power transistor, the emitter of which is connected to the midpoint of the secondary winding of the transformer.

Недостатком известного устройства является низкая скорость включения и выключения силового транзистора. Снижение скорости выключения вызвано наличием в цепи базы (или затвора в случае применения полевого силового транзистора) резистора, который снижает величину запирающего импульса тока базы (или затвора) силового транзистора. При уменьшении сопротивления резистора в нем увеличиваются потери мощности во время включенного состояния силового транзистора. А снижение скорости включения связано с тем, что из-за магнитной связи половин вторичной обмотки трансформатора ток первичной обмотки делится на ток заряда конденсатора и ток управления силовым транзистором. Так как ток первичной обмотки ограничен выходным сопротивлением транзисторного инвертора, то происходит снижение тока управления, если конденсатор разряжен. A disadvantage of the known device is the low speed on and off of the power transistor. The decrease in the shutdown speed is caused by the presence of a resistor in the base circuit (or gate in the case of using a field power transistor), which reduces the value of the blocking current pulse of the base (or gate) of the power transistor. When the resistance of the resistor decreases, the power loss in it increases during the on state of the power transistor. A decrease in the switching speed is due to the fact that due to the magnetic coupling of the halves of the secondary winding of the transformer, the current of the primary winding is divided by the charge current of the capacitor and the control current of the power transistor. Since the current of the primary winding is limited by the output resistance of the transistor inverter, a decrease in the control current occurs if the capacitor is discharged.

Решение технической задачи направлено на увеличение скорости переключения силового транзистора. The solution to the technical problem is aimed at increasing the switching speed of the power transistor.

Для решения поставленной технической задачи в известное устройство для формирования импульса управления силовым транзистором, содержащее источник напряжения управления, выход которого подключен к входу преобразователя постоянного напряжения в пачки знакопеременного прямоугольного с трансформатором на выходе, при этом вторичная обмотка трансформатора выполнена со средней точкой и подключена к входу мостового диодного выпрямителя, положительный полюс которого подключен к первому выводу резистора, второй вывод которого подключен к первому выводу конденсатора, причем второй вывод этого конденсатора вместе со средней точкой вторичной обмотки трансформатора подключен к истоку силового транзистора, введены токоограничивающий резистор и диод с дополнительным транзистором p-n-p типа, эмиттер которого вместе с катодом диода подключен к затвору силового транзистора, а база вместе с анодом диода подключена к положительному полюсу выпрямителя, при этом коллектор дополнительного транзистора вместе со вторым выводом резистора и с первым выводом конденсатора подключен к первому выводу токоограничивающего резистора, второй вывод которого подключен к отрицательному полюсу выпрямителя. To solve the technical problem in a known device for generating a control pulse of a power transistor, containing a control voltage source, the output of which is connected to the input of a DC voltage converter in alternating rectangular packets with a transformer at the output, while the secondary winding of the transformer is made with a midpoint and connected to the input bridge diode rectifier, the positive pole of which is connected to the first output of the resistor, the second output of which is connected to the first output of the capacitor, the second output of this capacitor together with the middle point of the secondary winding of the transformer connected to the source of the power transistor, introduced a current-limiting resistor and a diode with an additional pnp type transistor, the emitter of which, together with the diode's cathode, is connected to the gate of the power transistor, and the base together with the anode the diode is connected to the positive pole of the rectifier, while the collector of the additional transistor, together with the second output of the resistor and with the first output of the capacitor, is connected to vomu terminal current-limiting resistor, a second terminal of which is connected to the negative pole of the rectifier.

Таким образом, благодаря наличию отличительных признаков достигается положительный эффект - ускорение процесса заряда входной емкости силового транзистора и, как следствие, увеличение его скорости переключения. Это позволяет снизить массу и габариты охладителя транзистора или использовать силовой транзистор на более высокой частоте переключения, при этом снижаются масса и габариты электромагнитных элементов в статических преобразователях. Thus, due to the presence of distinctive features, a positive effect is achieved - acceleration of the charge process of the input capacitance of the power transistor and, as a result, an increase in its switching speed. This allows you to reduce the mass and dimensions of the transistor cooler or to use a power transistor at a higher switching frequency, while reducing the mass and dimensions of electromagnetic elements in static converters.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 показана схема устройства для формирования импульса управления силовым транзистором, на фиг.2 показаны графики, поясняющие работу устройства. The invention is illustrated by drawings. Figure 1 shows a diagram of a device for generating a control pulse of a power transistor, figure 2 shows graphs explaining the operation of the device.

Устройство для формирования импульса управления силовым транзистором 1, содержит источник 2 напряжения управления, выход которого подключен к входу преобразователя 3 постоянного напряжения в пачки знакопеременного прямоугольного с трансформатором 4 на выходе. Вторичная обмотка трансформатора 4 выполнена со средней точкой и подключена к входу мостового диодного выпрямителя 5. Положительный полюс выпрямителя 5 подключен к первому выводу резистора 6, второй вывод которого подключен к первому выводу конденсатора 7. Второй вывод конденсатора 7 вместе со средней точкой вторичной обмотки трансформатора 4 подключен к истоку силового транзистора 1. В устройство введены также токоограничивающий резистор 8 и диод 9 с дополнительным транзистором 10 р-n-р типа, эмиттер которого вместе с катодом диода 9 подключен к затвору силового транзистора 1, а база вместе с анодом диода 9 подключена к положительному полюсу выпрямителя 5. Коллектор дополнительного транзистора 10 вместе со вторым выводом резистора 6 и с первым выводом конденсатора 7 подключен к первому выводу токоограничивающего резистора 8, второй вывод которого подключен к отрицательному полюсу выпрямителя 5. A device for generating a control pulse of a power transistor 1, contains a control voltage source 2, the output of which is connected to the input of a constant voltage converter 3 into alternating rectangular packets with an output transformer 4. The secondary winding of the transformer 4 is made with a midpoint and connected to the input of the bridge diode rectifier 5. The positive pole of the rectifier 5 is connected to the first terminal of the resistor 6, the second terminal of which is connected to the first terminal of the capacitor 7. The second terminal of the capacitor 7 together with the middle point of the secondary winding of the transformer 4 connected to the source of the power transistor 1. A current limiting resistor 8 and a diode 9 are also introduced into the device with an additional transistor 10 pnp type, the emitter of which is connected together with the cathode of the diode 9 n to the gate of the power transistor 1, and the base together with the anode of the diode 9 is connected to the positive pole of the rectifier 5. The collector of the additional transistor 10 together with the second output of the resistor 6 and the first output of the capacitor 7 is connected to the first output of the current-limiting resistor 8, the second output of which is connected to rectifier negative pole 5.

Устройство работает следующим образом. Напряжение управления U₂ заданной длительности t₁-t₂ и t₃-t₄ (фиг.2а) формируется при помощи преобразователя 3 в пакеты знакопеременного прямоугольного напряжения U₃ (фиг.2b) и поступает через развязывающий трансформатор 4 на вход диодного мостового выпрямителя 5. Положительный импульс тока I_1(з) (фиг.2с) протекает от положительного полюса выпрямителя 5 к средней точке вторичной обмотки трансформатора 4 через диод 9 и управляющие выводы силового транзистора 1 и заряжает входную емкость транзистора 1 до положительного напряжения U_1(зи) (фиг.2е) открывания силового прибора. А ток, протекающий от средней точки вторичной обмотки трансформатора 4 к отрицательному полюсу выпрямителя 5 через конденсатор 7 и токоограничивающий резистор 8, заряжает конденсатор 7 до отрицательного напряжения U₇ (фиг.2d).The device operates as follows. The control voltage U _{2 of a} given duration t ₁ -t ₂ and t ₃ -t ₄ (Fig. 2a) is generated by a converter 3 into packets of alternating rectangular voltage U ₃ (Fig. 2b) and is fed through an isolation transformer 4 to the input of a diode bridge rectifier 5. A positive current pulse I _{1 (h)} (Fig.2c) flows from the positive pole of the rectifier 5 to the midpoint of the secondary winding of the transformer 4 through the diode 9 and the control leads of the power transistor 1 and charges the input capacitance of the transistor 1 to a positive voltage U _{1 (z )} (2e) is opened Bani power device. And the current flowing from the midpoint of the secondary winding of the transformer 4 to the negative pole of the rectifier 5 through the capacitor 7 and the current-limiting resistor 8 charges the capacitor 7 to a negative voltage U ₇ (fig.2d).

Во время паузы t₂-t₃ сигнала управления U₂ (фиг.2а) ток, протекающий по контуру: плюс конденсатора 7, исток-затвор транзистора I, эмиттер-база транзистора 10, резистор 6, минус конденсатора 7, открывает транзистор 10, через который протекает отрицательный импульс тока I_1(з) (фиг.2с) заряда входной емкости силового транзистора 1. При этом между управляющими выводами силового транзистора 1 формируется отрицательное напряжение U_1(зи) (фиг.2е) запирания. Так как величина импульса тока заряда I_1(з) входной емкости силового транзистора 1 в β раз больше, чем ток резистора 6, где β- коэффициент передачи тока базы транзистора 10, то время заряда входной емкости сокращается приблизительно в β раз по сравнению со временем заряда через резистор 6.During a pause t ₂ -t _{3 of} the control signal U ₂ (Fig. 2a), the current flowing along the circuit: plus capacitor 7, source-gate of transistor I, emitter-base of transistor 10, resistor 6, minus capacitor 7, opens transistor 10, through which a negative current pulse I _{1 (h)} flows (FIG. 2c) of the charge of the input capacitance of the power transistor 1. At the same time, a negative voltage is generated between the control terminals of the power transistor 1 and the gate voltage U _{1 (} _s) (FIG. 2f). Since the magnitude of the pulse of the charge current I _{1 (h) of the} input capacitance of the power transistor 1 is β times larger than the current of the resistor 6, where β is the transmission coefficient of the base current of the transistor 10, the charge time of the input capacitance is reduced by approximately β times compared to time charge through resistor 6.

Claims

A device for generating a control pulse of a power transistor containing a control voltage source, the output of which is connected to the input of a DC voltage converter in alternating rectangular packets with a transformer at the output, while the secondary winding of the transformer is made with a midpoint and connected to the input of a bridge diode rectifier, the positive pole of which connected to the first output of the resistor, the second output of which is connected to the first output of the capacitor, and the second output of this to the capacitor together with the middle point of the secondary winding of the transformer is connected to the source of the power transistor, characterized in that a current-limiting resistor and a diode with an additional p-np-type transistor are introduced into it, the emitter of which together with the diode cathode is connected to the gate of the power transistor, and the base together with the anode of the diode is connected to the positive pole of the rectifier, while the collector of the additional transistor, together with the second output of the resistor and with the first output of the capacitor, is connected to the first output of the current-limiting present resistor, the second terminal of which is connected to the negative pole of the rectifier.