УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ КОММУТИРУЮЩИМ ТРАНЗИСТОРОМ Российский патент 1994 года по МПК H02M7/537 

Изобретение относится к электротехнике/ в частности к преобразовательной технике/ и может быть использовано/ например/ в источниках вторичного электропитания.

Известно устройство управления коммутирующим транзистором с нагрузкой в цепи коллектора/ управляющий вход которого через согласующий резистор соединен с управляющим входом устройства и базой запирающего транзистора противоположного типа проводимости/ коллектором соединенного с эмиттером коммутирующего транзистора/ а эмиттером - через токоограничивающий резистор с первым выводом источника питания и через форсирующий конденсатор - с базой коммутирующего транзистора [1].

Недостатки известного устройства - снижение КПД и ограничение области применения за счет снижения верхней границы рабочей частоты и ограничения допустимого диапазона изменения коэффициента заполнения управляющего сигнала/ обусловлены сравнительно большой постоянной времени заряда форсирующего конденсатора через токоограничивающий резистор.

Известно устройство управления коммутирующим транзистором/ содержащее согласующий резистор и форсирующий конденсатор/ первые выводы которых соединены с первым выводом управляющего перехода коммутирующего транзистора/ второй вывод согласующего резистора соединен с первым управляющим входом устройства и базой запирающего транзистора/ коллектор которого соединен с вторым управляющим входом устройства и вторым выводом управляющего перехода коммутирующего транзистора/ эмиттер запирающего транзистора соединен с вторым выводом форсирующего конденсатора и первым выводом зарядного диода/ второй вывод которого соединен с первым управляющим входом устройства/ а также управляющий трансформатор/ вторичная обмотка которого соединена с управляющим входом устройства [2].

Недостатки известного устройства - снижение КПД/ удельных массогабаритных параметров/ повышенное потребление мощности от источника внешнего управляющего сигнала/ обусловлены необходимостью повышения напряжения на управляющем входе для заряда форсирующего конденсатора до напряжения/ обеспечивающего эффективное включение запирающего и запирание коммутирующего транзисторов/ потреблением от источника внешнего управляющего сигнала тока перезаряда форсирующего конденсатора/ амплитуда которого существенно превышает значение тока управления/ необходимого для удержания коммутирующего транзистора в насыщенном состоянии/ а также разрядом форсирующего конденсатора через паразитную цепь/ образуемую обмоткой трансформатора/ согласующим резистором и переходом коллектор-эмиттер запирающего транзистора на этапе закрытого состояния коммутирующего транзистора после вывода энергии из обмоток трансформатора.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для управления коммутирующим транзистором/ содержащее выходной трансформатор/ первая обмотка которого соединена с силовой цепью коммутирующего транзистора/ а вторая обмотка соединена последовательно с зарядным диодом/ образуя зарядную цепь/ первый вывод которой соединен с первым выводом управляющего перехода коммутирующего транзистора/ содержащее также форсирующий конденсатор и запирающий транзистор [3].

Недостатки известного устройства - ограниченная область применения и снижения КПД/ обусловлены сравнительно узким допустимым диапазоном изменения коэффициента заполнения управляющего сигнала и низким значением верхней границы рабочей частоты/ а также отсутствием форсирования включения коммутирующего транзистора.

Цель изобретения - расширение области применения устройства и повышение КПД за счет расширения допустимого диапазона изменения коэффициента заполнения управляющего сигнала/ повышения верхней границы рабочей частоты и обеспечения форсированного включения коммутирующего транзистора.

Это достигается тем/ что в устройство управления коммутирующим транзистором/ содержащее электромагнитный элемент/ например трансформатор или дроссель/ первая обмотка которого соединена с силовой цепью коммутирующего транзистора/ а вторая обмотка соединена последовательно с зарядным диодом/ образуя зарядную цепь/ первый вывод которой соединен с первым выводом управляющего перехода коммутирующего транзистора/ а также форсирующий конденсатор и запирающий транзистор/ второй вывод зарядной цепи соединяют с общей точкой соединения эмиттера запирающего транзистора и первого вывода форсирующего конденсатора/ второй вывод которого подключен к общей точке соединения вторых выводов управляющего перехода коммутирующего транзистора и согласующего резистора/ первый вывод которого подключен к точке соединения второго управляющего входа устройства и вывода базы запирающего транзистора/ коллектор которого соединен с первым управляющим входом устройства. Коммутирующий и запирающий транзисторы выполнены различного типа проводимости/ а первый вывод согласующего резистора соединяют с выводом базы коммутирующего транзистора.

Коммутирующий и запирающий транзисторы выполнены одного типа проводимости/ а первый вывод согласующего резистора соединяют с выводом эмиттера коммутирующего транзистора.

Последовательно с форсирующим конденсатором включен ограничивающий резистор/ шунтированный дополнительным диодом.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства/ выполненного на транзисторах одного типа проводимости; на фиг.2 - то же/ на транзисторах разного типа проводимости с использованием в качестве электромагнитного элемента выходного трансформатора однотактного преобразователя; на фиг.3 - вариант устройства/ выполненного на транзисторах одного типа проводимости с использованием в качестве электромагнитного элемента дросселя сглаживающего фильтра импульсного стабилизатора понижающего типа.

Устройство содержит коммутирующий транзистор 1/ с переходом коллектор-эмиттер которого соединена первая обмотка 2 электромагнитного элемента 3/ например трансформатора или дросселя/ вторая обмотка 4 которого включена последовательно с зарядным диодом 5/ образуя зарядную цепь 6/ первый вывод 7 которой соединен с первым выводом 8 управляющего перехода транзистора 1/ а второй вывод 9 зарядной цепи 6 соединен с общей точкой соединения эмиттера запирающего транзистора 10 с первым выводом 11 форсирующего конденсатора 12/ второй вывод 13 которого через ограничивающий резистор 14 соединен с общей точкой соединения вторых выводов 15 и 16 соответственно управляющего перехода коммутирующего транзистора 1 и согласующего резистора 17/ первый вывод 18 которого подключен к точке соединения второго управляющего входа устройства 19 и выводы базы запирающего транзистора 10/ коллектор которого соединен с первым управляющим входом 20 устройства. Резистор 14 шунтирован диодом 21. Наличие других элементов в устройстве диктуется разновидностью реализации и не связано с его существенными признаками. Амплитуду напряжения на выводах 7 и 9 цепи 6 задают меньше падения напряжения на резисторе 17 при включенном транзисторе 1.

Рассматривают квазиустановившийся режим работы устройства/ когда на управляющие входы поступает периодическая последовательность прямоугольных импульсов с неизменными параметрами и амплитудой/ достаточной для удержания включенного коммутирующего транзистора 1 в насыщенном состоянии. За исходный момент принимают время начала фронта очередного импульса/ включающего коммутирующий транзистор 1. До этого момента конденсатор 12 частично (или полностью) разряжен/ запирающий транзистор 10 включен током разряда конденсатора 12/ протекающим через переход эмиттер-база и резисторы 17 и 14/ а переход эмиттер-база транзистора 1 смещен в обратном направлении падением напряжения на шунтирующем его резисторе от разряда конденсатора 12 через переход/ коллектор-эмиттер транзистора 10 и резистор 14/ шунтированный диодом 21. С началом фронта импульса на управляющих входах 19 и 20 устройства через резистор 17 протекает ток включения транзистора 1. Падение напряжения на резисторе 17 при этом больше напряжения на разряженном конденсаторе 12/ поэтому переход эмиттер-база транзистора 10 смещается в обратном направлении и транзистор 10 закрывается. Одновременно рабочая точка транзистора 1 смещается в активную область/ и к обмотке 2 прикладывается часть напряжения питания/ а в обмотке 4 зарядной цепи 6 наводится ЭДС положительной обратной связи/ обеспечивающая протекание тока заряда конденсатора 12 через управляющий вход транзистора 1/ форсирующего его включение. Резистор 14 ограничивает ток базы транзистора 1 с учетом его допустимого значения. При этом с учетом реальных параметров используемых транзисторов полное время заряда конденсатора 12 может быть получено 0/5-1 мкс. Это на несколько порядков позволяет расширить допустимый диапазон изменения коэффициента заполнения внешнего управляющего сигнала/ что необходимо в ряде режимов работы устройств/ требующих кратковременного включения коммутирующего транзистора/ например/ по сигналу стабилизирующей обратной связи в режимах короткого замыкания нагрузки/ холостого хода. После заряда конденсатора 12 транзистор 1 удерживается во включенном состоянии током/ потребляемым от источника внешнего управляющего сигнала/ а транзистор 10 остается закрытым. В момент начала среза импульса на управляющем входе устройства управляющий вход транзистора 10 смещается в прямом направлении/ так как напряжение на конденсаторе 12 становится большим/ чем падение напряжения на резисторе 17. Транзистор 10 включается и через низкое сопротивление его перехода коллектор-эмиттер и прямо включенного диода 21 напряжением на конденсаторе 10 обеспечивается форсированное рассасывание избыточных носителей в области базы транзистора 1 и его последующее запирание. Диод 21 позволяет увеличить ток рассасывания. Далее транзистор 10 удерживается во включенном состоянии током разряда конденсатора 12 через согласующий резистор 17. С момента начала фронта следующего импульса электрические процессы в схеме повторяются.

В схеме прототипа заряд форсирующего конденсатора производится полным током/ включающим коммутирующий транзистор/ поэтому время заряда упомянутого конденсатора должно быть в 3-5 раз больше максимальной длительности управляющего сигнала/ следовательно/ форсирование включения коммутирующего транзистора практически отсутствует. С увеличением длительности управляющего сигнала необходимая емкость форсирующего конденсатора возрастает/ ухудшая массогабаритные показатели известного устройства. Кроме того/ в известном устройстве необходимы дополнительный включающий транзисторный усилительный каскад и дополнительные развязывающие диоды/ усложняющего его.

Из приведенного описания электрических процессов следует/ что предложенные отличительные признаки обеспечивают независимость амплитуды и длительности тока/ форсирующего переключение коммутирующего транзистора/ от параметров тока/ потребляемого от источника внешнего управляющего сигнала. Поэтому в предложенном устройстве обеспечено эффективное форсирование не только запирания/ но и включения коммутирующего транзистора в более широком диапазоне изменения коэффициента заполнения управляющего сигнала. Форсирование включения коммутирующего транзистора повышает КПД устройства и верхнюю границу его рабочей частоты. Расширение допустимого диапазона коэффициента заполнения управляющего сигнала и повышение верхней границы рабочей частоты расширяют область применения предложенного устройства.

Техническая реализация предложенного технического решения и базового объекта/ выполненного согласно схемы прототипа [3] и аналогов [1] и [2]/ подтвердили эффективность предложенного технического решения. Экспериментальная проверка и испытания предложенного технического решения проводились с использованием интегральных микросхем 564 серии в источнике внешнего управляющего сигнала и транзисторов типа 286ЕП5. Испытания показали устойчивую работу устройства и подтвердили получение указанных выше технико-экономических преимуществ.

Использование: для управления коммутирующим транзистором с выхода микросхемы узла управления. Сущность изобретения: устройство содержит коммутирующий транзистор, трансформатор, запирающий транзистор, согласующий резистор, форсирующий конденсатор, зарядные диоды и обмотку. Схема обеспечивает независимость амплитуды и длительности тока, форсирующего переключение коммутирующего транзистора, от параметров тока, потребляемого от источника внешнего управляющего сигнала. В устройстве реализовано эффективное форсирование не только запирания, но и включения коммутирующего транзистора в более широком диапазоне изменения коэффициента заполнения управляющего сигнала. 4 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ КОММУТИРУЮЩИМ ТРАНЗИСТОРОМ, содержащее электромагнитный элемент, первая обмотка которого соединена с силовой цепью коммутирующего транзистора, а вторая обмотка соединена последовательно с зарядным диодом, образуя зарядную цепь, первый вывод которой соединен с первым выводом управляющего перехода коммутирующего транзистора, форсирующий конденсатор и запирающий транзистор, отличающееся тем, что второй вывод зарядной цепи соединен с общей точкой соединения эмиттера запирающего транзистора и первого вывода цепи форсирующего конденсатора, второй вывод которого подключен к общей точке соединения вторых выводов управляющего перехода коммутирующего транзистора и согласующего резистора, первый вывод которого подключен к точке соединения второго управляющего входа устройства и вывода базы запирающего транзистора, коллектор которого соединен с управляющим входом устройства. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что коммутирующий и запирающий транзисторы выполнены различного типа проводимости, а первый вывод согласующего резистора соединен с выводом базы коммутирующего транзистора. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что коммутирующий и запирающий транзисторы выполнены с одинаковым типом проводимости, а первый вывод согласующего резистора соединен с выводом эмиттера коммутирующего транзистора. 4. Устройство по пп.1 - 3, отличающееся тем, что последовательно в цепь форсирующего конденсатора включен ограничительный резистор. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что ограничивающий резистор шунтирован дополнительным диодом, включенным в прямом направлении для тока запирания коммутирующего транзистора.