ЭЛЕКТРОННЫЙ КЛЮЧ С ТРАНСФОРМАТОРНОЙ РАЗВЯЗКОЙ Российский патент 2005 года по МПК H03K17/61 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в импульсных модуляторах, применяемых, например, в радиолокации.

Известны электронные транзисторные ключи с трансформаторной развязкой входа и выхода на основе МДП-транзисторов (П.А.Воронин “Силовые полупроводниковые ключи”, М., издательский дом “Додэка-XXl”, 2001, с. 191). Они содержат МДП-транзистор, развязывающий трансформатор, диод, через который осуществляется заряд входной емкости МДП-транзистора, и дополнительный транзисторный ключ, обеспечивающий быстрый разряд входной емкости МДП-транзистора. Управление осуществляется пакетами импульсов. При этом каждый импульс пакета своим переднем фронтом включает МДП-транзистор, а задним фронтом открывает дополнительный транзисторный ключ, запирая МДП-транзистор.

Недостатком этих устройств является их низкая надежность из-за необходимости при выпрямлении пакетов импульсов обеспечить компромисс между глубиной провалов вершины выпрямленного пакета и длительностью его фронтов.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности является электронный ключ (Патент РФ №2037265, МПК Н 03 К 17/60, oпубл. 09.06.95 г.), в который введен второй трансформатор. Включение осуществляется через первый трансформатор включающим пакетом импульсов, а выключение - с помощью дополнительного транзисторного ключа через второй трансформатор выключающим пакетом импульсов. Это обеспечивает более надежное включение и выключение МДП-транзистора на всю длительность каждого пакета импульсов. Первый импульс в пакете осуществляет переключение, а все последующие - подтверждение состояния (включено или выключено). Импульсы того и другого пакетов вырабатываются одним генератором и распределяются по пакетам в соответствии с входным сигналом (высокий уровень - включающий пакет, низкий уровень - выключающий пакет).

Недостатком этого устройства является большая и постоянно меняющаяся задержка моментов переключения относительно фронтов управляющего (входного) сигнала. Переключения следуют в моменты, совпадающие с фронтами тактовых импульсов. Задержка моментов переключения относительно фронтов управляющего сигнала может достигать двух периодов следования тактовых импульсов. Это делает невозможным использование таких ключей, например, для модуляции сигнала в радиолокации.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является улучшение массогабаритных показателей и расширение функциональных возможностей электронного ключа путем привязки передних фронтов первых импульсов в пакете к фронтам управляющего сигнала, что дает возможность построения быстродействующего модулятора.

Решение поставленной задачи достигается с помощью электронного ключа с трансформаторной развязкой, содержащего МДП-транзистор, транзисторный ключ, выходы которого включены между затвором и истоком МДП-транзистора, диод, первый трансформатор, вторичная обмотка которого началом соединена с истоком МДП-транзистора, а концом - с анодом диода, катод которого соединен с затвором МДП-транзистора, второй трансформатор, вторичная обмотка которого началом соединена с истоком МДП-транзистора, а концом - с входом транзисторного ключа, инвертор, первый и второй формирователи пакетов импульсов, выходы которых соединены с первичными обмотками соответственно первого и второго трансформаторов, в котором, в отличие от прототипа, в качестве формирователей пакетов импульсов использованы два управляемых генератора коротких импульсов с большой скважностью (более 10), первые импульсы которых совпадают с фронтами управляющего сигнала, и введены: первая схема задержки переднего фронта, выход которой соединен со входом первого управляемого генератора, а вход - со входом электронного ключа и входом инвертора, и вторая схема задержки переднего фронта, выход которой соединен с входом второго управляемого генератора, а вход - с выходом инвертора.

Схема задержки переднего фронта, как одна из частных форм реализации, содержит RC-цепь, шунтирующий диод и пороговый элемент, причем один вывод резистора RC-цепи и катод шунтирующего диода соединены с входом схемы, а второй вывод резистора RC-цепи и анод шунтирующего диода соединены с первым выводом конденсатора RC-цепи и входом порогового элемента, второй вывод конденсатора RC-цепи соединен с общей шиной, а выход порогового элемента является выходом схемы задержки переднего фронта. Управляемый генератор содержит микросхему таймера, времязадающий конденсатор, высокоомный и низкоомный резисторы, причем времязадающий конденсатор и высокоомный резистор соединены с входом управляемого генератора, а их вторые выводы соединены с выводами низкоомного резистора, общая точка двух резисторов соединена со входом цепи разряда таймера, а общая точка низкоомного резистора и времязадающего конденсатора соединена с триггерным и пороговым входами таймера, а выход таймера является выходом управляемого генератора.

Кроме того, для формирования импульсов с крутыми фронтами в электронный ключ введены второй МДП-транзистор со своим диодом и транзисторным ключом, вторые вторичные обмотки трансформаторов и два резистора, включенные последовательно с диодами, вторая вторичная обмотка второго трансформатора началом соединена с истоком второго МДП-транзистора, а концом - с его затвором через цепь резистор-диод, вторая вторичная обмотка первого трансформатора началом соединена с истоком второго МДП-транзистора, а концом - с входом второго транзисторного ключа, сток первого МДП-транзистора соединен с положительной шиной питания, исток второго МДП-транзистора соединен с отрицательной шиной питания, а его сток соединен с истоком первого МДП-транзистора и является выходом электронного ключа.

Для увеличения амплитуды формируемых импульсов в n раз дополнительно введено и последовательно соединено соответственно с имеющимися первым и вторым МДП-транзиторами п-1 первых МДП-транзисторов и n-1 вторых МДП-транзисторов с соответствующими резисторами, диодами, транзисторными ключами, первыми и вторыми вторичными обмотками первого и второго трансформаторов, причем параллельно всем МДП-транзисторам включены шунтирующие резисторы.

Предложенное устройство за счет совокупности отличительных признаков по сравнению с прототипом обладает более высоким быстродействием, что позволяет использовать его для модуляции сигналов в радиолокации. Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена блок-схема электронного ключа с трансформаторной развязкой; на фиг.2 - временные диаграммы напряжений, поясняющие работу заявляемого ключа.

Электронный ключ с трансформаторной развязкой (фиг.1) содержит МДП-транзистор 1, транзисторный ключ 2, диод 3, первый и второй трансформаторы соответственно 4 и 5, два генератора 6 и 7 пакетов импульсов, первую 8 и вторую 9 схемы задержки передних фронтов и инвертор 10. Вход инвертора 10 соединен с входом устройства и входом первой 8 схемы задержки переднего фронта, выход инвертора 10 соединен с входом второй 9 схемы задержки передних фронтов, выходы схем задержки передних фронтов соединены с входами соответствующих генераторов 6 и 7 пакетов импульсов, выходы последних соединены с первичными обмотками соответствующих первого и второго трансформаторов 4 и 5. Вторичная обмотка первого трансформатора 4 соединена одним концом с истоком МДП-транзистора 1, а вторым концом с анодом диода 3, катод которого соединен с затвором МДП-транзистора 1. Вторичная обмотка второго трансформатора 5 соединена одним концом с истоком МДП-транзистора 1, а вторым концом с входом транзисторного ключа 2, выходы которого соединены с затвором и истоком МДП-транзистора 1.

Временные диаграммы напряжений (фиг.2) поясняют работу предлагаемого электронного ключа, где 11 - входной сигнал, 12 - выходной сигнал инвертора 10, 13 - выходной сигнал первой схемы 8 задержки переднего фронта, 14 - выходной сигнал второй схемы 9 задержки переднего фронта, 15 - выходной сигнал генератора 6 пакетов импульсов, 16 - выходной сигнал генератора 7 пакетов импульсов, 17 - напряжение на переходе затвор-исток МДП-транзистора.

Электронный ключ с трансформаторной развязкой работает следующим образом. Если управляющий (входной) сигнал имеет высокий уровень, первый управляемый генератор 6 вырабатывает короткие (доли микросекунды) импульсы 15 с большой скважностью (более 10). Эти импульсы проходят первый трансформатор 4, обеспечивающий гальваническую развязку, и через диод 3 заряжают входную емкость МДП-транзистора 1 (ее величина порядка тысяч пикофарад). На выходе второго генератора 7 импульсов нет - 16, на затворе положительное напряжение 17, МДП-транзистор открыт. Если управляющий сигнал имеет низкий уровень, на выходе генератора 6 нет импульсов 15, на выходе инвертора 10 высокий уровень сигнала 12 и на выходе генератора 7 вырабатываются короткие импульсы с большой скважностью 16, которые проходят второй трансформатор 5, тоже обеспечивающий гальваническую развязку, и с помощью транзисторного ключа 2 разряжают входную емкость МДП-транзистора. На затворе напряжение относительно истока равно нулю 17. МДП-транзистор закрыт. Открытое или закрытое состояние МДП-транзистора поддерживается периодическим следованием импульсов во включающем или выключающем пакете. Первый импульс пакета изменяет состояние МДП-транзистора и следует за соответствующим фронтом с задержкой не меньшей, чем длительность заднего фронта подтверждающих импульсов. Подтверждающими импульсами являются все импульсы в пакетах, кроме первых, которые являются переключающими. Задержка, осуществляемая схемами задержки переднего фронта, мала (доли микросекунды) и имеет постоянную величину. Она нужна, чтобы исключить перекрытие переключающих импульсов с задним фронтом импульсов, подтверждавших предыдущее состояние. Скважность подтверждающих импульсов ограничивается с верхней стороны временем разряда входной емкости МДП-транзистора через утечки и запертые транзисторный ключ 2 и диод 3. Практически это 100 мкс и более. Развязывающие трансформаторы 4 и 5 передают короткие импульсы (доли микросекунды) при большой скважности. Это позволяет упростить их (использовать по две обмотки вместо трех в прототипе) и уменьшить массу и габариты, так как мощность трансформируемого сигнала обратно пропорциональна скважности. Малое число витков в обмотках этих трансформаторов позволяет обеспечить высокопотенциальную развязку (10 кВ и более) при малых габаритах.

На фиг.3 представлена схема задержки переднего фронта, которая содержит резистор 18 и конденсатор 19 RC-цепи, диод 20 и пороговый элемент 21, общую шину 22 RC-цепи. Передний фронт нарастает с постоянной времени, равной произведению сопротивления резистора 18 и емкости конденсатора 19. Пороговый элемент 21 (например, компаратор) формирует крутой фронт, задержанный описанной RC-цепью. Задний фронт не задерживается, так как при спаде входного напряжения конденсатор 19 мгновенно разряжается через диод 20.

Управляемый генератор (фиг.4) содержит микросхему таймера 26, времязадающий конденсатор 23, высокоомный резистор 24 и низкоомный резистор 25. При высоком уровне напряжения на входе генератора обкладка конденсатора, соединенная с триггерным 27 и пороговым 28 входами таймера, заряжается через резисторы 24 и 25 и, когда напряжение на ней достигает 2/3 питания таймера, на выходе таймера происходит отрицательный перепад напряжения и вход 29 цепи разряда таймера соединяется с корпусом, быстро разряжая конденсатор 23 через низкоомный резистор 25. При достижении уровня, равного 1/3 питания таймера, на выходе 30 таймера происходит положительный перепад напряжения. Далее процесс повторяется. Происходит генерация кратковременных отрицательных импульсов с большой скважностью. Когда на входе генератора происходит спад напряжения до нуля, напряжение на входах 27 и 28 таймера 26 падает ниже уровня, равного 1/3 питания таймера, независимо от предшествующего значения этого напряжения, т.е. генерация мгновенно прекращается в любом случае. Когда на входе генератора происходит положительный перепад напряжения, напряжение на входах 27 и 28 таймера мгновенно поднимается выше уровня, равного 2/3 питания таймера, независимо от предшествующего значения этого напряжения, после чего происходит разряд конденсатора 23 через низкоомный резистор 25. Таким образом, генерирование начинается с формирования такого же импульса, как и все последующие. Передний фронт этого импульса совпадает с передним фронтом управляющего сигнала.

Импульсы с крутыми фронтами невозможно сформировать одним электронным ключом из-за заметной величины выходной емкости закрытого ключа при конечной величине нагрузочного сопротивления. Крутые фронты можно получить, заменив нагрузочное сопротивление вторым МДП-транзистором, который переключается в противофазе с первым МДП-транзистором, т.е. сформировав парафазный ключ.

Парафазный ключ (фиг.5) содержит положительную 36 и отрицательную 37 шины питания, МДП-транзисторы первый 1 и второй 31, транзисторные ключи 2 и 32, диоды 3 и 33, резисторы 34 и 35, трансформаторы 4 и 5 с двумя вторичными обмотками каждый, управляемые генераторы 6 и 7 импульсов, схемы 8 и 9 задержки передних фронтов и инвертор 10. При этом важно не допустить сквозных токов за счет введения кратковременной паузы. Пауза формируется RC-цепями из входных емкостей МДП-транзисторов и резисторов 34 и 35, введенных последовательно с диодами 3 и 33. RC-цепи задерживают включение первого МДП-транзистора. Выключение второго МДП-транзистора осуществляется тем же сигналом, но без задержки. Так формируется пауза. Кратковременная пауза создает возможность последовательного включения МДП-транзисторов для увеличения амплитуды формируемых импульсов, т.к. неодновременность включения и выключения транзисторов в последовательных цепочках не приводит к перенапряжениям за счет того, что другая последовательная цепочка в это время еще полностью выключена.

Парафазный электронный ключ с трансформаторной развязкой на повышенное в n раз напряжение (фиг.6) содержит шины питания 36 и 37, n первых МДП-транзисторов 1 и n вторых МДП-транзисторов 31, n шунтирующих резисторов 38 и n шунтирующих резисторов 39, n транзисторных ключей 2 и n транзисторных ключей 32, n диодов 3 и n диодов 33, n резисторов 34 и n резисторов 35, трансформаторы 4 и 5 с 2п вторичными обмотками каждый, управляемые генераторы импульсов 6 и 7, схемы задержки передних фронтов 8 и 9 и инвертор 10. Шунтирующие резисторы 38...38n и 39...39n обеспечивают равномерное распределение напряжения на последовательно включенных запертых транзисторах в цепочках МДП-транзисторов. Кратковременные задержки включения, гарантировавшие отсутствие сквозных токов парафазного ключа, в этом случае исключают перенапряжение на МДП-транзисторах во время процедуры переключения.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в импульсных модуляторах, радиолокации. Достигаемый технический результат - расширение функциональных возможностей путем повышения его быстродействия. Электронный ключ с трансформаторной развязкой содержит МДП-транзистор, транзисторный ключ, диод, два трансформатора, инвертор, два формирователя пакетов импульсов, в качестве которых использованы два управляемых генератора коротких импульсов, две схемы задержки переднего фронта. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Электронный ключ с трансформаторной развязкой, содержащий МДП-транзистор, транзисторный ключ, выходы которого включены между затвором и истоком МДП-транзистора, диод, первый трансформатор, вторичная обмотка которого началом соединена с истоком МДП-транзистора, а концом - с анодом диода, катод которого соединен с затвором МДП-транзистора, второй трансформатор, вторичная обмотка которого началом соединена с истоком МДП-транзистора, а концом - с входом транзисторного ключа, инвертор, первый и второй формирователи пакетов импульсов, выходы которых соединены с первичными обмотками соответственно первого и второго трансформаторов, отличающийся тем, что в качестве формирователей пакетов импульсов использованы два управляемых генератора коротких импульсов, первые импульсы которых совпадают с фронтами управляющего сигнала, и введены первая схема задержки переднего фронта, выход которой соединен со входом первого управляемого генератора, а вход - со входом электронного ключа и входом инвертора, и вторая схема задержки переднего фронта, выход которой соединен со входом второго управляемого генератора, а вход - с выходом инвертора.2. Электронный ключ с трансформаторной развязкой по п.1, отличающийся тем, что схема задержки переднего фронта содержит RC-цепь, шунтирующий диод и пороговый элемент, причем один вывод резистора RC-цепи и катод шунтирующего диода соединены со входом схемы, а другой вывод резистора RC-цепи и анод шунтирующего диода соединены с первым выводом конденсатора RC-цепи и входом порогового элемента, второй вывод конденсатора RC-цепи соединен с общей шиной, а выход порогового элемента является выходом схемы задержки переднего фронта.3. Электронный ключ с трансформаторной развязкой по п.1, отличающийся тем, что управляемый генератор содержит микросхему таймера, времязадающий конденсатор, высокоомный и низкоомный резисторы, причем первые выводы времязадающего конденсатора и высокоомного резистора соединены со входом управляемого генератора, а их вторые выводы соединены с выводами низкоомного резистора, общая точка двух резисторов соединена со входом цепи разряда таймера, а общая точка низкоомного резистора и времязадающего конденсатора соединена с триггерным и пороговым входами таймера, а выход таймера является выходом управляемого генератора.4. Электронный ключ с трансформаторной развязкой по п.1, отличающийся тем, что в него введены второй МДП-транзистор со своим диодом и транзисторным ключом, вторые вторичные обмотки трансформаторов и два резистора, включенные последовательно с диодами, вторая вторичная обмотка второго трансформатора началом соединена с истоком второго МДП-транзистора, а концом - с его затвором через цепь резистор - диод, вторая вторичная обмотка первого трансформатора началом соединена с истоком второго МДП-транзистора, а концом - с входом второго транзисторного ключа, сток первого МДП-транзистора соединен с положительной шиной питания, исток второго МДП-транзистора соединен с отрицательной шиной питания, а его сток соединен с истоком первого МДП-транзистора и является выходом электронного ключа.5. Электронный ключ с трансформаторной развязкой по п.4, отличающийся тем, что в него дополнительно введено и последовательно соединено соответственно с имеющимися первым и вторым МДП-транзисторами n-1 первых МДП-транзисторов и n-1 вторых МДП-транзисторов с соответствующими резисторами, диодами, транзисторными ключами, первыми и вторыми вторичными обмотками первого и второго трансформаторов, причем параллельно всем МДП-транзисторам включены шунтирующие резисторы.