Диссертация (1137078), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Поэтому такие схемы неполучили широкого распространения.Трансформаторные схемы. Управляющий сигнал передается черезимпульсный трансформатор. При этом мощности сигнала достаточно для того,чтобы осуществлять перезаряд входной емкости транзистора с высокойскоростью. Поэтому такие схемы не требуют дополнительных источниковпитания. Требуемая электропрочность обеспечивается соответствующим выборомзазора между первичной и вторичной обмотками трансформатора.
Такие схемыобладают высокой помехоустойчивостью, так как в них в основном используютсяпассивные элементы.Различаютдватипасхем,построенныхнаосновеимпульсныхтрансформаторов (ИТ): а) с ИТ напряжения, б) с ИТ тока. Конструкциятвердотельного ключа во многом определяется выбранным типом ИТ.В случае использования импульсного трансформатора напряжения [21, 22,24] (рисунок 3.7), первичная обмотка содержит один или несколько витков, на нееподаетсяуправляющийсигналотподмодулятора.Вторичныеобмоткиподключаются к схемам управления отдельными транзисторами, и, как правило,содержат только один виток.
Таким образом, используется понижающийимпульсный трансформатор. Он в этом случае вносит минимальные искажения впередаваемый сигнал, выходное сопротивление источника сигнала управления2пересчитывается во вторичную цепь с коэффициентом 1/ K , где К –76коэффициент трансформации [35]. Напряжение на вторичных обмотках будетравно U II U I / K , где U I - напряжение на первичной обмотке.Рис. 3.7. Схема с ИТ напряжения.Включах,построенныхнаосновеимпульсноготрансформаторанапряжения, синхронность передачи управляющих сигналов обеспечиваетсягеометрической и электрической симметрией импульсного трансформатора исамих ячеек ключа. Конструкция такого ключа представлена на рисунке 3.8.Рис.
3.8. Конструкция ключа с кольцевым ИТ напряжения: 1 – транзистор ключа;2 – каркас трансформатора; 3 – магнитопровод; 4 – первичная обмотка; 5 –вторичная обмотка.Кольцевойимпульсныйтрансформаторнаходитсявцентеключа.Вторичные обмотки, как правило, состоящие из одного витка для уменьшенияпаразитных параметров схемы, подключены к входным цепям транзисторов,радиально располагающихся вокруг трансформатора. Витки первичной и77вторичных обмоток должны распределяться равномерно. В противном случаемагнитное поле по сечению магнитопровода трансформатора искажается, инапряжения на вторичных витках могут отличаться друг от друга.Данная конструкция обладает сравнительно малыми габаритами принебольшом (от 5 до 30 штук) количестве транзисторов и напряжениях до 20 кВ.При малом и большом количестве транзисторов объем ключа используется неэффективно, так как внутреннюю часть ключа, где располагается импульсныйтрансформатор, достаточно сложно использовать.
Электропрочность междупервой и последней ячейками обеспечивается соответствующим выборомвеличины зазора между ними. При этом, как правило, приходится увеличиватьдиаметр магнитопровода, который в свою очередь ограничен в пределахстандартных значений 100...200 мм.Рис. 3.9. Схема с ИТ тока.В ключах, построенных на основе ИТ тока (рисунок 3.9), каждыйтранзистор управляется отдельным трансформатором, первичная обмоткакоторого состоит из прямолинейного проводника, проходящего через кольцомагнитопровода. Вторичные обмотки могут содержать один или нескольковитков.
В этом случае нагрузки вторичных обмоток пересчитываются в2первичную цепь с коэффициентом 1/ K , и соединяются последовательно. Такимобразом,напряжениеUII (I I / K ) RII ,гденаRII -вторичныхсопротивлениеобмоткахнагрузкирассчитываетсявторичныхкакобмоток.Управляющее напряжение определяется током первичной обмотки, который всвою очередь является общим для всех ИТ в ключе.78В конструкции таких ключей нет жестких требований к расположениюячеек модулятора относительно друг друга, однако конструкция самоготрансформатора также должна быть симметричной, проводник первичнойобмотки должен располагаться в центре трансформатора.
Ключи такого типа, какправило, имеют линейную структуру, аналогичную приведенной на рисунке 3.10.Рис. 3.10. Конструкция ключа с ИТ тока: 1 – транзистор ключа; 2 – вторичнаяобмотка; 3 – магнитопровод; 4 – проводник, образующий первичную обмотку.В случае идеальной геометрической симметрии трансформаторов разбросзадержкипередачиуправляющегосигналаопределяетсяскоростьюегораспространения по длине первичной обмотки трансформатора. Так для проводадлиной 1 м, имеющего полиэтиленовую изоляцию, эта задержка равна 6 нс.Предельные значения этой задержки зависят от числа транзисторов в ключе ивремени их переключения. Оценка значения допустимой задержки переключениятранзисторов проведена в разделе 4.2.4.В настоящей работе будут рассмотрены только схемы с трансформаторнымуправлением, так как при прочих равных условиях они обладают высокойнадежностью и помехоустойчивостью, малыми габаритами, они хорошозарекомендовали себя при эксплуатации реальных устройств.Нижеприведенысхемыуправленияотдельнымитранзисторами,построенные с использованием ИТ, получившие наибольшее распространение:791.
простая схема с ограничительным резистором;2. схема с хранением положительного заряда;3. схема с полным хранением заряда;4. многосекционные схемы;5. схемы со вспомогательным питанием.Рассмотрим эти схемы подробнее.На рисунке 3.11 представлена простейшая схема с ограничительнымрезистором в цепи управления, построенная на ИТ напряжения [42, 39, 41, 43].Рис. 3.11 Схема ячейки с ограничивающим резистором.Здесь VTi - силовой транзистор, Rgi – сопротивление, ограничивающее токперезаряда входной емкости транзистора. Его величина должна быть малой,чтобы не оказывать существенного влияния на скорость заряда входной емкости,но в то же время - достаточно большой, чтобы уменьшить добротность иисключить возбуждение паразитного резонансного контура, образованноговходной емкостью транзистора и индуктивностью рассеяния трансформатора.Типовая величина этого сопротивления составляет 5...20 Ом.
Ограничительныйдиод VDi защищает цепь затвора транзистора от возможных выбросовнапряжения, которые могут появиться в результате возбуждения паразитногорезонансного контура.Такаясхемауправлениятранзисторамиобладаетследующимидостоинствами: не содержит активных элементов, слабо подвержена воздействиювнутренних электромагнитных помех, количество элементов минимально,достаточно просто обеспечить одинаковость параметров элементов в нескольких80ячейках. К недостаткам данной схемы следует отнести невозможностьформирования длинных импульсов, так как ИТ не позволяет передаватьпостоянную составляющую сигнала управления.На рисунке 3.12 представлена схема с трансформаторной развязкой цепиуправления и хранением положительного (или отрицательного) заряда [24,25].Рис. 3.12.
Схема ячейки с хранением положительного заряда.Здесь R1, R2 - разрядный и зарядный резисторы соответственно; R3 ограничительный резистор транзистора VT1, который обеспечивает хранениеположительного заряда на затворе силового транзистора VT2; VD1 и VD4 ограничительные диоды, защищающие затворные цепи транзисторов VT1 и VT2соответственно; диод VD2 обеспечивает заряд входной емкости VT2; диод VD3ограничивает протекание тока заряда входной емкости VT2 через встроенный втранзистор VT1 диод.Работа схемы подробно рассмотрена в [25].
При подаче положительногоимпульса на вход импульсного трансформатора по цепи VD2 – R2 происходитзарядвходнойемкостиVT2.Длительностьуправляющегоимпульса,передаваемого через ИТ, выбирается, исходя из полного заряда входной емкостиVT2, и, как правило, составляет 0,05…1 мкс. После окончания положительногоимпульса хранение заряда обеспечивается транзистором VT1, транзистор VT2поддерживается открытым. При подаче импульса отрицательной полярности на81импульсный трансформатор, открывается транзистор VT1, заряд, хранящийся назатворе VT2, "стекает" по цепи R1- VD3-VT1.
Транзистор VT2 закрывается.Достоинством данной схемы является возможность формировать импульсыбесконечной длительности, для этого необходимо периодически подзаряжатьвходную емкость VT2, подавая на вход ИТ короткие импульсы (0,05…0,5 мкс)положительной полярности.Недостатком этой схемы является отсутствие возможности хранитьотрицательный заряд, что может уменьшить помехоустойчивость схемы.Возможны ситуации, когда от импульса к импульсу будут изменяться начальныеусловия заряда входной емкости транзистора VT2, что может привести кпоявлению «дребезга» фронта формируемого высоковольтного импульса.
Схемаможет быть модифицирована для хранения отрицательного заряда. В этом случаевозможно формирование коротких открывающих импульсов и длительноехранениеотрицательногозаряданавходнойемкоститранзистора,чтообеспечивает высокую помехоустойчивость схемы в закрытом состоянии.На рисунке 3.13 представлена схема управления отдельным транзисторомна основе ИТ с полным хранением заряда. Аналогичная схема приведена в [51].Рис. 3.13. Схема ячейки с полным хранением заряда.Здесь R1, R2– ограничительные резисторы транзисторов VT1 и VT2соответственно; R3, R4- зарядный и разрядный резисторы соответственно; VD1 иVD6 - ограничительные диоды, защищающие затворные цепи транзисторов VT1,82VT2 и VT3; VD3 и VD5 - обеспечивает заряд входной емкости VT3; VD2 и VD4ограничивают протекание тока заряда входной емкости VT3 через диоды,встроенные в транзисторы VT1 и VT2.При подаче на вход ИТ импульса положительной полярности открываетсятранзистор VT2, по цепи R3-VD3-VT2-VD4 происходит заряд входной емкоститранзистора VT3.
После окончания импульса хранение заряда обеспечиваетсязакрытым транзистором VT1. При подаче на импульсный трансформаторимпульса отрицательной полярности открывается транзистор VT1, происходитперезаряд входной емкости транзистора VT3 по цепи R4-VD2-VT1-VD5 доотрицательногонапряжения.Послеокончанияимпульса,хранениеотрицательного заряда обеспечивается закрытым транзистором VT2.Рассматриваемая схема способна формировать импульсы бесконечнойдлительности, обладает высокой помехоустойчивостью, так как в паузах междуимпульсами на затворе основного транзистора поддерживается отрицательноенапряжение.Недостаткомсхемыявляетсяналичиебольшогочиславспомогательных элементов, сложно обеспечить одинаковость их параметров длявсех ячеек ключа.В схемах с ИТ на выводах вторичной обмотки по окончании управляющегоимпульса возможно появление выбросов обратной полярности.
Они вызваныналичием индуктивности рассеяния обмоток трансформатора. Величина выбросаможет составлять 0,1...0,5 от амплитуды управляющего импульса, что можетприводить к открытию транзисторов, хранящих заряд (см. рисунки 3.12, 3.13), и"сбросу" заряда на затворе силового транзистора. С целью устранения влияниявыбросов обратной полярности в таких схемах применяются резистивныеделители напряжения, приложенного к входным электродам вспомогательныхтранзисторов.Этиделителиуменьшаютамплитудувыбросовобратнойполярности, предотвращая ложное открытие транзисторов, хранящих заряд.В многосекционных схемах управления функции заряда и разрядавходной емкости разделены между несколькими вторичными обмотками ИТ [39].Этисхемыприменяютсясравнительноредко,таккакдополнительное83секционирование трансформаторов усложняет их конструкцию, положительныйэффект от их использования достигается в очень узком круге задач, напримеркогда требуется осуществлять быстрое размыкание силового транзистора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
