RU2113053C1

RU2113053C1 - Transistor switch control process

Info

Publication number: RU2113053C1
Application number: RU96107999A
Authority: RU
Inventors: Н.И. Лаврентьев; Н.В. Лаврентьева
Original assignee: Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева
Priority date: 1996-04-23
Filing date: 1996-04-23
Publication date: 1998-06-10

Abstract

FIELD: automatic control of power transistor switches built around bipolar transistors and used for contactless switchgear and protective gear. SUBSTANCE: transistor switch base current is produced to maintain minimal level of dissipated power and not to maintain constant voltage drop across transistor switch. Process involves current supply to and regulation in base circuit. Regulated ac current is supplied to base circuit simultaneously with DC current and its amplitude is lower than DC current level; non-regulated ac current is also supplied to base circuit, its amplitude being as low as possible to ensure reliable discrimination of this component on background of noise. Total ac current components are measured in base and power circuits of transistor switch, and they are compared. Differential signal DC component is discriminated and used for regulation. Low-magnitude ac component fed to transistor switch base circuit followed by comparing response of transistor switch to this component enables determination of transistor switch state. EFFECT: minimized unwanted heat loss across transistor switch; improved control accuracy. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано для управления силовыми транзисторными ключами (ТК) на биполярных транзисторах, используемыми в бесконтактной защитно- коммутационной аппаратуре. The invention relates to the field of automation and can be used to control power transistor switches (TC) on bipolar transistors used in non-contact protective switching equipment.

Одним из основных требований к мощным транзисторным ключам является достижение высокого КПД. Особенно это требование ощутимо для мощных ТК, используемых на объектах с автономными источниками питания: автомобилях, самолетах и т. д. , т. е. там, где ограничена мощность источников питания и затруднено охлаждение элементов схемы. One of the main requirements for powerful transistor switches is to achieve high efficiency. This requirement is especially noticeable for powerful fuel cells used in facilities with autonomous power sources: cars, airplanes, etc., i.e., where the power of the power sources is limited and cooling of circuit elements is difficult.

Одним из наиболее эффективных способов управления ТК, обеспечивающим получение высокого КПД, является способ, основанный на формировании (подаче) и регулировании тока в базовой цепи ключа. Достаточно подробное описание этого способа приведено в статье Е.В. Машукова. Транзисторные ключи для устройств управления и коммутации, опубликованной в сб. Электронная техника в автоматике./Под ред. Ю. И. Конева, вып. 8, М.: Сов. радио, 1976. В описываемых транзисторных ключах подача и регулирование базового тока производится на основе сигнала рассогласования, который получается при измерении падения напряжения на силовых электродах ТК и сравнении его с заданной эталонной величиной. При данном способе управления ТК имеем постоянную величину падения напряжения на силовых электродах ТК независимо от тока нагрузки. One of the most effective ways to control the TC, providing high efficiency, is a method based on the formation (supply) and regulation of current in the base circuit of the key. A sufficiently detailed description of this method is given in an article by E.V. Mashukova. Transistor switches for control and switching devices, published in Sat. Electronic Engineering in Automation./ Ed. Yu. I. Koneva, vol. 8, M .: Sov. radio, 1976. In the described transistor switches, the supply and regulation of the base current is based on the mismatch signal, which is obtained by measuring the voltage drop across the power electrodes of the TC and comparing it with a given reference value. With this TC control method, we have a constant value of the voltage drop across the TC power electrodes, regardless of the load current.

Наиболее близким к изобретению по сути является способ, описанный в патенте США N 4156837, принятый за прототип. В отмеченном патенте высокая эффективность работы ТК достигается за счет использования способа управления, основанного на подаче тока в базовую цепь, измерении параметра в силовой цепи и регулировании тока в базовой цепи по измеренному параметру. Операционный усилитель (ОУ) производит измерение остаточного напряжения на открытом ключе, сравнивает его с опорной величиной и через усилитель мощности формирует базовый ток ТК таким образом, что остаточное напряжение на ключе не превышает опорное. Данный способ управления транзисторным ключом обладает наиболее высоким КПД из известных. Closest to the invention in fact is the method described in US patent N 4156837, adopted as a prototype. In the noted patent, high efficiency of the TC is achieved through the use of a control method based on applying current to the base circuit, measuring a parameter in the power circuit and adjusting the current in the base circuit according to the measured parameter. The operational amplifier (OA) measures the residual voltage on the open key, compares it with the reference value and through the power amplifier generates the base current of the TC so that the residual voltage on the key does not exceed the reference. This method of controlling a transistor switch has the highest efficiency of the known.

Экспериментальное исследование выявило и недостаток способа, использованного в патенте США N 4156837, который заключается в невысокой точности управления ключом. Под точностью в данном случае понимается соответствие базового тока ключа и степени насыщения последнего. Недостаток способа, принятого за прототип, заключается прежде всего в том, что способ основан на поддержании постоянной величины падения напряжения на ключе, а не поддержании минимального уровня рассеиваемой мощности. An experimental study revealed a drawback of the method used in US patent N 4156837, which consists in the low accuracy of key management. In this case, accuracy is understood as the correspondence of the base current of the key and the degree of saturation of the latter. The disadvantage of the method adopted for the prototype is primarily that the method is based on maintaining a constant value of the voltage drop across the key, and not maintaining a minimum level of power dissipation.

Техническим результатом изобретения является повышение точности регулирования. The technical result of the invention is to improve the accuracy of regulation.

Указанный результат достигается тем, что по способу управления ТК, основанному на подаче тока в базовую цепь, измерении параметра в силовой цепи и регулировании тока в базовой цепи, одновременно с подачей в базовую цепь постоянного тока производят регулируемую подачу в базовую цепь переменного тока с амплитудой, не превышающей уровень постоянного тока, а также нерегулируемую подачу в базовую цепь переменного тока с минимально возможной амплитудой, обеспечивающей надежное выделение на фоне шумов, измеряют суммарные переменные составляющие тока в базовой и силовой цепях ТК, производят сравнение последних, выделяют постоянную составляющую разностного сигнала и регулирование производят по выделенной постоянной составляющей. The specified result is achieved by the fact that according to the TC control method, based on supplying current to the base circuit, measuring a parameter in the power circuit and adjusting the current in the base circuit, simultaneously with applying direct current to the base circuit, an alternating current with amplitude is fed into the base circuit, not exceeding the level of direct current, as well as uncontrolled supply of alternating current to the base circuit with the minimum possible amplitude, which ensures reliable isolation against the background of noise, measure the total variables of the component currents in the base and power circuits of the TCs, they are compared, the DC component of the difference signal is isolated, and the regulation is performed by the extracted DC component.

Повышение точности регулирования происходит за счет того, что параметр, по которому происходит формирование базового тока ТК, создается искусственно. Этот параметр позволяет более точно определить состояние ТК, чем имеющиеся другие параметры, например остаточное напряжение на ключе. Подача регулируемой и нерегулируемой переменных составляющих в базовую цепь ТК переменных вызывает появление в силовой цепи ТК переменных составляющих, величины которых зависят от состояния ТК (степени насыщения). Измерение суммарных переменных составляющих в базовой и силовой цепях ТК при последующем их сравнении позволяет определить необходимое последующее регулирование базового тока. Improving the accuracy of regulation is due to the fact that the parameter by which the formation of the base current of the TC occurs artificially. This parameter allows you to more accurately determine the state of the TC than other available parameters, such as residual voltage on the key. The supply of adjustable and unregulated variable components to the base circuit of the TC variables causes the appearance in the power circuit of the TC variable components, the values of which depend on the state of the TC (degree of saturation). Measurement of the total variable components in the base and power circuits of the TC with their subsequent comparison allows you to determine the necessary subsequent regulation of the base current.

Одна из возможных реализаций способа приведена в схеме устройства, показанной на чертеже, где 1 - силовой транзистор, регулирование которым осуществляется по данному способу, 2 - источник напряжения постоянного тока, 3 - источник напряжения переменного тока, 4 - транзистор, регулирующий подачу постоянного тока, 5 - транзистор, регулирующий подачу переменного тока, 6 - резистор, обеспечивающий нерегулируемую подачу переменного тока, 7 - переключатель, 8 - резистор, датчик тока в базовой цепи, 9 - резистор, датчик тока в эмиттерной цепи, 10, 11- конденсаторы, обеспечивающие выделение переменной составляющей, 12, 13, 14 - операционные усилители (ОУ), 15 - 22 - резисторы, 23, 24 - диоды, 25, 26, 27 - конденсаторы, 28, 29 - электроды подключения цепи нагрузки, 30 - общая шина. One of the possible implementations of the method is shown in the diagram of the device shown in the drawing, where 1 is a power transistor regulated by this method, 2 is a DC voltage source, 3 is an AC voltage source, 4 is a transistor that controls the DC current supply, 5 - transistor, regulating the supply of alternating current, 6 - resistor, providing uncontrolled supply of alternating current, 7 - switch, 8 - resistor, current sensor in the base circuit, 9 - resistor, current sensor in the emitter circuit, 10, 11 - condensate ry providing the separation of the variable component, 12, 13, 14 - operational amplifiers (op amps), 15 - 22 - resistors, 23, 24 - diodes, 25, 26, 27 - capacitors, 28, 29 - electrodes for connecting the load circuit, 30 - common bus.

Указанные элементы соединены между собой следующим образом. Базовая цепь силового транзистора 1 через регулирующий транзистор 4 соединена с источником напряжения постоянного тока 2 и через переключатель 7, резистор 8 (датчик тока базовой цепи) - с общей шиной 30. Кроме того, база транзистора 1 соединена с источником напряжения переменного тока 3 через параллельно соединенные регулирующий транзистор 5 и резистор 6. Далее, источник 3 через конденсатор 27, переключатель 7 и резистор 8 соединен с общей шиной 30. Эмиттер транзистора 1 через резистор 9 - датчик тока в эмиттерной (силовой) цепи соединен с общей шиной 30 и одним электродом подключения нагрузки 29. Коллектор силового транзистора 1 подключен к второму электроду подключения нагрузки 28. Выход датчика тока в базовой цепи (резистор 8) соединен через конденсатор 10 с входом масштабного усилителя, выполненного на операционном усилителе 12 и резисторах 15 - 17. Выход усилителя через диод 23 соединен с низкочастотным фильтром, выполненным на параллельно включенных резисторе 21 и конденсаторе 25. Выход датчика тока в силовой цепи (резистор 9) соединен с входом масштабного усилителя, выполненного на операционном усилителе 13 и резисторах 18 - 20. Выход усилителя через диод 24 соединен с низкочастотным фильтром, выполненным на параллельно включенных резисторе 22 и конденсаторе 26. Выходы фильтров соединены с входами устройства сравнения, выполненного на операционном усилителе 14. Выход усилителя 14 соединен с входами регулирующих транзисторов 4 и 5. These elements are interconnected as follows. The base circuit of the power transistor 1 is connected via a control transistor 4 to a DC voltage source 2 and through switch 7, the resistor 8 (base circuit current sensor) is connected to a common bus 30. In addition, the base of the transistor 1 is connected to an AC voltage source 3 through parallel connected control transistor 5 and resistor 6. Next, the source 3 through the capacitor 27, the switch 7 and the resistor 8 is connected to a common bus 30. The emitter of the transistor 1 through a resistor 9 - the current sensor in the emitter (power) circuit is connected to a common bus 30 and one electrode for connecting the load 29. The collector of the power transistor 1 is connected to the second electrode for connecting the load 28. The output of the current sensor in the base circuit (resistor 8) is connected through a capacitor 10 to the input of a scale amplifier made on an operational amplifier 12 and resistors 15 - 17. Output the amplifier through a diode 23 is connected to a low-pass filter made on a parallel-connected resistor 21 and a capacitor 25. The output of the current sensor in the power circuit (resistor 9) is connected to the input of a large-scale amplifier made for operation amplifier 13 and resistors 18 - 20. The output of the amplifier through a diode 24 is connected to a low-pass filter made on a parallel-connected resistor 22 and a capacitor 26. The outputs of the filters are connected to the inputs of the comparison device made on the operational amplifier 14. The output of the amplifier 14 is connected to the inputs of the regulating transistors 4 and 5.

Способ управления ТК реализуется следующим образом. Транзистор 1 является силовым, осуществляющим коммутацию тока нагрузки. Базовый ток транзистора 1 создается источником напряжения постоянного тока 2, параллельно которому подключен источник напряжения переменного тока 3. Включение и выключение источников осуществляется переключателем 7. Резистор 9 - датчик тока в силовой цепи ТК, а резистор 8 - датчик тока в базовой цепи ключа. Регулирование постоянного и переменного тока в базовой цепи ТК осуществляется транзисторами 4 и 5 соответственно, управление которыми производится ОУ 14. The control method of the TC is implemented as follows. The transistor 1 is a power, switching the load current. The base current of transistor 1 is created by a DC voltage source 2, in parallel with which an AC voltage source is connected 3. The sources are turned on and off by switch 7. Resistor 9 is a current sensor in the power circuit of the TC, and resistor 8 is a current sensor in the base circuit of the key. Regulation of direct and alternating current in the base circuit of the TC is carried out by transistors 4 and 5, respectively, which are controlled by OA 14.

При включении переключателя 7 происходит подача в базовую цепь ТК постоянного тока от источника 2, а также подача переменного тока от источника 3. Напряжение, падающее на резисторе 8, пропорционально току в базовой цепи ТК, а напряжение на резисторе 9 - току в силовой цепи (цепи эмиттера силового транзистора). Конденсаторы 10 и 11 отфильтровывают переменные составляющие напряжений, которые необходимы для измерений и дальнейшего сравнения. Эти составляющие усиливаются усилителями с фиксированными коэффициентами усиления, выполненными на ОУ 12, резисторах 15 - 17, и ОУ 13, резисторах 18 - 20. Преобразование, выполняемое усилителями 12, 13, диодами 23 и 24, позволяет подвести к схеме сравнения постоянные напряжения, пропорциональные измеренным сигналам с датчиков тока 8 и 9. Напряжения от измерительной части (12, 13, 23, 24) поступают на резисторы 21 и 22, образующие мостовую схему сравнения. Конденсаторы 25 и 26 необходимы для выделения постоянной составляющей сигнала. Разность напряжений, образующаяся на резисторах 21 и 22, поступает на входы ОУ 14, управляющего через регулирующие транзисторы 4 и 5 формированием (подачей) базового тока ТК. Если уровень переменной составляющей тока в базовой цепи превышает уровень в силовой, это означает, что силовой транзистор 1 сильно насыщен и ОУ 14 прикрывает транзисторы 4 и 5, уменьшая величину базового тока ТК. Увеличение уровня переменной составляющей в силовой цепи ТК означает, что транзистор входит в активный режим. При этом ОУ 14 через транзистор 4 увеличивает базовый ток ТК, каждый раз поддерживая последний на грани насыщения. Ток генератора переменного напряжения 3 создает на датчиках тока 8 и 9 пропорциональные падения напряжения, сигнал рассогласования создается лишь силовым током ТК. Точность работы устройства определяется в основном лишь коэффициентами усиления в петле обратной связи (ОУ 12, 13, 14, транзисторы 1, 4). When the switch 7 is turned on, a DC current is supplied to the base circuit of the TC from source 2, and an alternating current is supplied from source 3. The voltage incident on the resistor 8 is proportional to the current in the base circuit of the TC, and the voltage across resistor 9 is proportional to the current in the power circuit ( power emitter transistor circuit). Capacitors 10 and 11 filter out the alternating components of the voltages, which are necessary for measurements and further comparison. These components are amplified by amplifiers with fixed amplification coefficients, performed on op-amps 12, resistors 15-17, and op-amps 13, resistors 18 - 20. The conversion performed by amplifiers 12, 13, diodes 23 and 24 allows direct voltage proportional proportional to the comparison circuit measured signals from current sensors 8 and 9. Voltages from the measuring part (12, 13, 23, 24) are supplied to resistors 21 and 22, forming a bridge comparison circuit. Capacitors 25 and 26 are needed to isolate the DC component of the signal. The voltage difference generated on the resistors 21 and 22, is fed to the inputs of the OS 14, which controls through the regulation transistors 4 and 5 the formation (supply) of the base current of the TC. If the level of the alternating current component in the base circuit exceeds the level in the power circuit, this means that the power transistor 1 is very saturated and the op-amp 14 covers the transistors 4 and 5, reducing the value of the base current of the TC. An increase in the level of the variable component in the power circuit of the TC means that the transistor enters the active mode. In this case, the OS 14 through the transistor 4 increases the base current of the TC, each time supporting the latter on the verge of saturation. The current of the alternating voltage generator 3 creates proportional voltage drops on the current sensors 8 and 9, the error signal is created only by the power current of the TC. The accuracy of the operation of the device is mainly determined only by the gains in the feedback loop (OS 12, 13, 14, transistors 1, 4).

В случае разрыва силовой цепи транзистора (отключение нагрузки) происходит автоматическое снижение уровня регулируемых постоянных и переменных составляющих базового тока до нуля. В базовую цепь подается лишь нерегулируемая переменная составляющая минимальной амплитуды, что позволяет осуществить ее надежное выделение на фоне шумов. Это устойчивое состояние процесса управления ТК будет продолжаться до момента подключения нагрузки (например, восстановление целостности электрической цепи нагрузки), когда произойдет увеличение уровня переменной составляющей тока в силовой цепи ТК. Далее, управление производится в соответствии с приведенным выше. Осуществляется регулирование (через транзисторы 4 и 5) постоянной и переменной составляющих базового тока силового транзистора. Конденсатор 27 препятствует прохождению постоянного тока от источника 2 через источник 3. In the event of a breakdown in the power circuit of the transistor (load disconnection), the level of adjustable constant and variable components of the base current is automatically reduced to zero. Only an unregulated variable component of the minimum amplitude is fed into the base circuit, which allows its reliable selection against noise. This steady state of the TC control process will continue until the load is connected (for example, the integrity of the load electrical circuit is restored), when the level of the alternating current component in the TC power circuit increases. Next, control is performed in accordance with the above. The regulation (through transistors 4 and 5) of the constant and variable components of the base current of the power transistor is carried out. Capacitor 27 prevents the passage of direct current from source 2 through source 3.

Регулирование уровня переменной составляющей базового тока позволяет компенсировать увеличение переменных составляющих в силовой цепи ключа, которое происходит при увеличении мощности нагрузки. Это в свою очередь обеспечивает превышение уровня искусственно формируемой переменной составляющей над уровнем шумов и надежное выделение первой. Regulation of the level of the variable component of the base current allows you to compensate for the increase in the variable components in the power circuit of the switch, which occurs when the load power increases. This, in turn, ensures that the level of the artificially generated variable component exceeds the noise level and reliable selection of the first.

Амплитуда регулируемой переменной составляющей базового тока не должна превышать уровень постоянной составляющей базового тока. В противном случае будет происходить нарушение непрерывности тока, подаваемого в базу и соответственно прерывание тока через нагрузку, что нежелательно. The amplitude of the adjustable variable component of the base current must not exceed the level of the constant component of the base current. Otherwise, there will be a violation of the continuity of the current supplied to the base and, accordingly, interruption of the current through the load, which is undesirable.

Предложенный способ управления ТК имеет более высокую точность по сравнению с прототипом и, как следствие, более высокий КПД. Повышение точности управления устройства происходит за счет того, что формирование базового тока ТК производится исходя из поддержания минимального уровня рассеиваемой мощности, а не поддержания постоянной величины падения напряжения на ключе. The proposed method of controlling the TC has a higher accuracy compared to the prototype and, as a result, a higher efficiency. Improving the accuracy of control of the device is due to the fact that the formation of the base current of the TC is based on maintaining the minimum level of power dissipation, and not maintaining a constant value of the voltage drop across the key.

Пример. Транзистор 2Т630А (ЮФЗ.365.043 ТУ) при токе 0,85 А может иметь максимальное падение напряжения на выводах до 0,5 В, а при токе 0,1 А - 0,1 В. Если схема при управлении ключом будет поддерживать на его выводах напряжение 0,5 В во всем диапазоне токов, то при снижении тока через ключ до 0,1 А мощность, выделяемая в цепи коллектор - эмиттер ТК, составит 0,1 А • 0,5 В = 0,05 Вт, в то время как при повышении точности регулирования, выделяемая мощность снизится до 0,1 А • 0,1 В= 0,01 Вт. Повышение точности регулирования снижает потери в силовой части ТК в данном примере в 5 раз. Потери в цепи управления уменьшаются аналогично, но в меньшей степени. Example. A transistor 2T630A (YuFZ.365.043 TU) at a current of 0.85 A can have a maximum voltage drop at the terminals of up to 0.5 V, and at a current of 0.1 A - 0.1 V. If the circuit during key management will support at its terminals voltage is 0.5 V in the entire range of currents, then when the current through the switch decreases to 0.1 A, the power allocated to the collector-emitter circuit of the TC will be 0.1 A • 0.5 V = 0.05 W, while as with increasing regulation accuracy, the allocated power will decrease to 0.1 A • 0.1 V = 0.01 W. Improving the accuracy of regulation reduces losses in the power part of the fuel cell in this example by 5 times. Losses in the control circuit are reduced similarly, but to a lesser extent.

Предлагаемый способ не чувствителен к изменению параметров окружающей среды, параметрам силового транзистора, что позволяет ТК устойчиво работать при любых изменениях окружающей среды, нагрузки, напряжений источника питания. The proposed method is not sensitive to changes in environmental parameters, parameters of the power transistor, which allows the TC to work stably under any changes in the environment, load, voltage of the power source.

ТК, выполненный на основе предложенного способа, не требует настроек, регулировок, что ускоряет процесс его сборки. TC, made on the basis of the proposed method, does not require settings, adjustments, which speeds up the process of its assembly.

Claims

A method for controlling a transistor switch based on supplying current to the base circuit, measuring a parameter in the power circuit and adjusting the current in the base circuit, characterized in that at the same time as applying direct current to the base circuit, an alternating current is fed into the base circuit with an amplitude not exceeding the level of direct current, as well as unregulated supply to the base circuit of alternating current with the minimum possible amplitude, which ensures reliable separation against the background of noise, measure the total variable components t Single base and a power transistor switch circuits, are compared latter emit a constant difference signal component and produce a regulation of selected constant component.