УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫМ ТРАНЗИСТОРОМ, В ЧАСТНОСТИ МОП-ТРАНЗИСТОРОМ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО РАДИОЧАСТОТНОГО ГЕНЕРАТОРА ДЛЯ УПРАВЛЯЕМОГО ЗАЖИГАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2009 года по МПК H03K3/57 

Настоящее изобретение относится к управлению высоковольтными транзисторами и в частности транзисторами, имеющими большую емкость затвор-сток и предназначенными для переключения на частотах в несколько МГц, например в случае радиочастотных генераторов высокого переменного напряжения (1кВ/20А/5МГц) для управляемого зажигания двигателя внутреннего сгорания. Примером такого транзистора может быть МОП-транзистор (транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник).

Примеры выполнения таких генераторов описаны, например, во французских патентных заявках №№ 2859869, 2859830 и 2859831, поданных на имя заявителя.

Выполнение радиочастотного генератора высокого переменного напряжения требует быстрого управления высоковольтным транзистором, исток которого подключен к массе.

Однако устройства управления (или запускающие устройства «драйверы» по англосаксонскому названию, обычно применяемому специалистами), используемые в настоящее время для управления такими МОП-транзисторами под высоким напряжением и для коммутационных частот в несколько МГц, в большинстве своем характеризуются слишком большими задержками распространения сигнала между входом и выходом для рассматриваемого варианта обратной связи.

Учитывая требования, предъявляемые к характеристикам, из предшествующего уровня техники известны решения с трансформаторами, позволяющими подавать на затвор высоковольтного транзистора симметричное напряжение, которое может эффективно блокировать транзистор. Однако, как правило, такие решения являются более дорогими, чем схемы с ненамотанными активными компонентами.

Задачей настоящего изобретения является решение этой проблемы.

В этой связи объектом настоящего изобретения является устройство быстрого управления транзистором, в частности высоковольтным транзистором для радиочастотного генератора высокого переменного напряжения, выполненное с возможностью соблюдения времени распространения сигналов между входом и выходом порядка 15-20 нс и имеющее при этом униполярную архитектуру на основе ненамотанных активных компонентов.

Таким образом, настоящим изобретением предлагается монтаж типа двухтактной схемы с синхронизированным управлением двумя комплементарными МОП-транзисторами управления.

В частности, объектом настоящего изобретения является устройство управления высоковольтным транзистором, в частности МОП-транзистором высоковольтного радиочастотного генератора, содержащее:

- входной контакт для приема логического сигнала управления,

- выходной контакт для передачи выходного сигнала управления высоковольтным транзистором,

- первый nМОП-транзистор управления с низким внутренним сопротивлением, который соединен между массой и выходным контактом и затвор которого соединен с указанным входным контактом,

- второй рМОП-транзистор управления, который соединен между контактом питания и выходным контактом и затвор которого соединен с указанным входным контактом при помощи биполярного транзистора, выполненного по принципу монтажа с общей базой и с подачей тока на его эмиттер, управляемой емкостной схемой соединения.

Учитывая эффект МИЛЛЕРА в сочетании с емкостью затвор-сток транзистора и при времени переключения порядка 10 нс, на затворе высоковольтного транзистора во время его блокировки появляются токи порядка десятка ампер. Поэтому чтобы избежать возврата к состоянию проводимости и колебаний транзистора, необходимо иметь схему управления с низким внутренним сопротивлением по отношению к массе, что в данном случае достигается путем использования nМОП-транзистора управления с низким внутренним сопротивлением, как правило, менее 1 Ом и предпочтительно практически менее 0,5 Ом.

Кроме того, управление вторым рМОП-транзистором управления, осуществляемое, в частности, при помощи биполярного транзистора, выполненного по принципу монтажа с общей базой и с управлением подачей тока на его эмиттер при помощи емкостной схемы соединения, позволяет обеспечить эффективное и быстрое переключение, даже когда напряжение питания является слабым, что может произойти при запуске транспортного средства, когда напряжение батареи падает до значения менее 8 В.

Согласно варианту выполнения емкостная схема соединения содержит конденсатор, соединенный с указанным входным контактом, первый резистор, соединенный с эмиттером биполярного транзистора, и средство, представляющее собой диод, последовательно соединенный между первым резистором и конденсатором.

Предпочтительно устройство дополнительно содержит второй резистор, соединенный между коллектором биполярного транзистора и контактом питания и образующий вместе с биполярным транзистором каскад трансляции уровня, а также отслеживающий каскад, соединенный между каскадом трансляции уровня и затвором второго рМОП-транзистора управления.

Кроме того, предпочтительно, чтобы устройство дополнительно содержало первую схему усиления, соединенную между затвором первого nМОП-транзистора управления и входным контактом, и вторую схему усиления, соединенную между входным контактом и емкостной схемой соединения.

Эти две схемы усиления, которые выполнены, например, в виде логической МОП-схемы класса 74АС, позволяют, в случае необходимости, усиливать по току логический сигнал управления (который является, например, сигналом 0-5 В) таким образом, чтобы подавать достаточный ток на затворы транзисторов управления в момент их переключения.

Даже если рМОП-транзистор управления и nМОП-транзистор управления теоретически не переключаются в один и тот же момент, поскольку их соответственное переключение связано с верхним состоянием или с нижним состоянием входного логического сигнала управления, вместе с тем, с учетом времени распространения внутри схемы и частот переключения эти два транзистора управления могут переключаться одновременно в течение короткого промежутка времени. Хотя это и не мешает работе устройства, но все же приводит к потерям за счет рассеяния. Для устранения этого недостатка предусматривают, чтобы устройство предпочтительно содержало фазосдвигающую цепь, соединенную между входным контактом и затвором первого nМОП-транзистора управления, например соединенную между входным контактом и входом первой схемы усиления таким образом, чтобы смещать сигналы управления двух транзисторов управления.

Чтобы увеличить частотный диапазон для работы устройства и в частности чтобы обеспечить эффективное использование устройства управления на низкой частоте, предпочтительно предусматривают, чтобы устройство дополнительно содержало дополнительную схему усиления, вход которой соединяют с указанным входным контактом, и дополнительный nМОП-транзистор, соединенный между массой и соединителем биполярного транзистора, который выполнен по принципу монтажа с общей базой и затвор которого соединен с выходом дополнительной схемы усиления.

Описанное выше устройство применяют, в частности, для управления транзистором высоковольтного радиочастотного генератора для управляемого зажигания двигателя внутреннего сгорания.

Другим возможным применением является управление транзистором высоковольтного радиочастотного генератора для создания плазмы.

Другие преимущества и отличительные признаки настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего подробного описания неограничительных вариантов выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - первый вариант выполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.2 - более детальный вид устройства, показанного на фиг.1;

фиг.3 - другой вариант выполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.1 позицией DISP обозначено устройство управления высоковольтным транзистором МНТ, исток которого выведен на массу GND, входящее, например, в состав радиочастотного генератора высокого переменного напряжения, используемого для управляемого зажигания двигателей внутреннего сгорания.

Устройство DISP содержит входной контакт IN, выполненный с возможностью приема логического сигнала управления, который может принимать верхнее логическое состояние (например, 5 В) или нижнее логическое состояние (например, ОВ).

Логический сигнал управления поступает на входы 2, 3, 4 и 5 логической МОП-схемы класса 74АС, обозначенной позицией IC1, например схемы 74АС 541, выпускаемой в продажу компанией Fairchild.

Логический сигнал управления поступает также через фазосдвигающую цепь, образованную резистором R1, диодом D1 и конденсатором С1, функциональное назначение которой будет пояснено ниже, на четыре входа схемы IC1, а именно на входы 6, 7, 8 и 9.

Как показано, в частности, на фиг.2, входы 6, 7, 8 и 9 соединены с четырьмя вентилями класса АС14, установленными параллельно и образующими первую схему усиления АМР1.

Точно также входы 2, 3, 4 и 5 соединены с четырьмя другими вентилями АС14, тоже установленными параллельно и образующими вторую схему усиления АМР2.

Каждый из этих логических вентилей выполнен с возможностью подачи на выходе тока 50 мА, что позволяет получить на выходе каждой схемы усиления АМР2 ток 200 мА, обеспечивающий хорошее управление транзисторами управления, что будет подробнее описано ниже.

Выход первой схемы усиления АМР1 напрямую соединен с затвором первого транзистора управления Q6, который является nМОП-транзистором.

Этот первый транзистор управления Q6 имеет чрезвычайно низкое внутреннее сопротивление относительно массы. Например, выбирают транзистор с маркировкой РНР3055, выпускаемый компанией Philips, который имеет внутреннее сопротивление порядка 0,1 Ом.

В то время как исток транзистора Q6 заземлен, его сток соединен с выходным контактом OUT устройства управления DISP.

Выход второй схемы усиления АМР2 соединен с емкостной схемой соединения, являющейся симметризатором сигнала и образованной конденсатором С2, транзистором Q1, установленным в виде быстродействующего диода, и резистором R2, причем эти три компонента установлены последовательно на выходе второй схемы усиления АМР2.

Эта емкостная схема соединения позволяет управлять по току на эмиттере биполярным транзистором Q2, выполненном на основе монтажа на общей базе, то есть его база соединена с массой.

Коллектор транзистора Q2 соединен через резистор R3 с напряжением питания VDD, которое является, например, напряжением батареи. Таким образом, транзистор Q2 и резистор R3 образуют каскад трансляции уровня.

Коллектор транзистора Q2 соединен с затвором второго транзистора управления Q5, который является рМОП-транзистором, через отслеживающий каскад, классически состоящий из двух транзисторов Q3 и Q4.

рМОП-транзистор Q5 соединен между напряжением питания VDD и выходным контактом OUT.

Транзистор Q5, который имеет пороговое напряжение порядка 5 В и который легко управляется под напряжением 10 В, является, например, транзистором с маркировкой IRFD9110, выпускаемым компанией International Rectifier.

Транзистор Q2, управляемый на своем эмиттере по току и имеющий заземленный затвор, позволяет достичь большой скорости переключения.

Кроме того, для сохранения возможностей быстрого переключения даже когда напряжение питания является слабым (при запуске транспортного средства напряжение батареи может упасть до значения менее 8 В), предпочтительно используют монтажную схему с общей базой, то есть базу транзистора Q2 соединяют с массой. Следовательно, для обеспечения его переключения необходимо иметь на его эмиттере отрицательное напряжение, что может быть достигнуто при помощи емкостной схемы соединения C2/Q1/R2.

Таким образом, во время положительного полупериода на входном контакте, то есть когда входной логический сигнал управления переходит в верхнее состояние, конденсатор С2 заряжается через транзистор Q1, который используется в качестве быстродействующего диода, до напряжения, примерно равного разности между напряжением питания логический МОП-схемы IC1 и пороговым напряжением диода.

Когда входной сигнал переходит в нижнее логическое состояние, выход схемы IC1 тоже переходит на почти ничтожное напряжение, и напряжение на контактах конденсатора С2 позволяет создать отрицательный потенциал на резисторе R2 и, следовательно, очень резко переключить транзистор Q2. рМОП-транзистор управления Q5 в этом случае становится проходным спустя несколько наносекунд.

Если же входной логический сигнал находится в верхнем состоянии, транзистор Q5 блокируется, а транзистор Q6 становится проводящим.

При этом чтобы убедиться, что оба транзистора управления Q5 и Q6 не переключают одновременно, предпочтительно используют фазосдвигающую цепь, образованную резистором R1, параллельно соединенным с диодом D1, и конденсатором С1, которая позволяет сместить по времени логический сигнал управления, поступающий на вход первой схемы усиления АМР1, по отношению к сигналу, поступающему на вход второй схемы усиления АМР2, причем эти обе схемы АМР1 и АМР2 выполнены в логической МОП-схеме IC1.

Когда транзистор Q6 проводит, высоковольтный МОП-транзистор МНТ блокируется. В этом случае на затворе транзистора МНТ появляется сильный импульс тока. Однако учитывая низкое внутреннее сопротивление транзистора Q6, этот сильный импульс тока не приводит к напряжению на затворе транзистора МНТ, достаточно высокому, чтобы обеспечить его возврат к проводимости, что привело бы в таком случае к нежелательным колебаниям транзистора МНТ.

Иначе говоря, слабое внутреннее сопротивление транзистора управления Q6 позволяет эффективно обеспечивать правильную блокировку высоковольтного транзистора МНТ.

Устройство, показанное на фиг.1, характеризуется временем распространения между входом IN и выходом OUT порядка 20 нс при времени нарастания примерно 15 нс.

Вариант выполнения устройства, показанный на фиг.1, наиболее адаптирован для работы на высокой частоте. При этом чтобы увеличить полосу пропускания устройства, то есть чтобы оно эффективно работало в более широком частотном диапазоне и в частности на низкой частоте, предпочтительно использовать вариант выполнения, показанный на фиг.3.

По сравнению с вариантом выполнения, показанным на фиг.1, устройство DISP, показанное на фиг.3, дополнительно содержит дополнительную схему усиления IC2A, образованную, например, вентилем 74АС140, соединенным с входным контактом IN, а также дополнительный nМОП-транзистор Q7, соединенный между массой и коллектором транзистора Q2. Затвор этого дополнительного транзистора Q7 соединен с выходом дополнительной схемы усиления IC2A.

Динамическое поведение, связанное со значениями конденсатора С2 (например, 100 нФ), резистора R2 (например, 50 Ом) и резистора R3 (например, 120 Ом), может оказаться неудовлетворительным на низкой частоте, так как на нисходящем фронте входного логического сигнала конденсатор С2 заряжается через резистор R2 и через резистор R3 и достигает состояния полной зарядки, поэтому транзистор Q2 может снова блокироваться и переключить выход в нежелательный момент.

Таким образом, чтобы обеспечить приемлемое использование устройства управления на низкой частоте несмотря на это динамическое поведение, которое наиболее адаптировано для реагирования на высокой частоте, вставляют дополнительную схему усиления IC2A и дополнительный nМОП-транзистор Q7.

Таким образом, на отрицательном полупериоде входного логического сигнала управления схема, образованная конденсатором С2, транзистором Q1, резистором R2, транзистором Q2 и резистором R3, обеспечивает установление быстрого фронта на выходе. За счет этого дополнительная схема IС2А/Q7 сохраняет нижнее состояние отслеживающего каскада Q3/Q4 до следующего полупериода входного логического сигнала.

Изобретение относится к управлению высоковольтными транзисторами. Технический результат - уменьшение стоимости. Устройство управления содержит входной контакт (IN) для приема логического сигнала управления, выходной контакт (OUT) для передачи выходного сигнала управления высоковольтным МОП-транзистором, первый nМОП-транзистор (Q6) управления с низким внутренним сопротивлением, который соединен между массой и указанным выходным контактом и затвор которого соединен с указанным входным контактом, второй рМОП-транзистор (Q5) управления, который соединен между контактом питания и выходным контактом и затвор которого соединен с указанным выходным контактом при помощи биполярного транзистора (Q2), выполненного по принципу монтажа с общей базой и с подачей тока на его эмиттер, управляемой емкостной схемой соединения (С2, Q1, R2). 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство управления высоковольтным транзистором, в частности МОП-транзистором высоковольтного радиочастотного генератора, характеризующееся тем, что содержит входной контакт (IN) для приема логического сигнала управления, выходной контакт (OUT) для передачи выходного сигнала управления высоковольтным транзистором, первый nМОП-транзистор (Q6) управления с низким внутренним сопротивлением, который соединен между массой и указанным выходным контактом, и затвор которого соединен с указанным входным контактом, второй рМОП-транзистор (Q5) управления, который соединен между контактом питания и выходным контактом, и затвор которого соединен с указанным выходным контактом при помощи биполярного транзистора (Q2), выполненного по принципу монтажа с общей базой и с подачей тока на его эмиттер, управляемой емкостной схемой соединения (С2, Q1, R2).

2. Устройство по п.1, в котором внутреннее сопротивление первого nМОП-транзистора управления (Q6) меньше 1 Ом, предпочтительно меньше 0,5 Ом.

3. Устройство по п.1, в котором емкостная схема соединения содержит конденсатор (С2), соединенный с указанным входным контактом, первый резистор (R2), соединенный с эмиттером биполярного транзистора, и средство, представляющее собой диод (Q1), последовательно соединенное между резистором и конденсатором.

4. Устройство по п.1, дополнительно содержащее второй резистор (R3), соединенный между коллектором биполярного транзистора (Q2) и контактом питания и образующий вместе с биполярным транзистором каскад трансляции уровня, а также отслеживающий каскад (Q3, Q4), соединенный между каскадом трансляции уровня и затвором второго рМОП-транзистора управления.

5. Устройство по п.1, дополнительно содержащее первую схему усиления (АМР1), соединенную между затвором первого nМОП-транзистора управления и входным контактом, и вторую схему усиления (АМР2), соединенную между входным контактом и емкостной схемой соединения.

6. Устройство по п.1, дополнительно содержащее фазосдвигающую цепь (R1, C1, D1), соединенную между входным контактом и затвором первого nМОП-транзистора управления.

7. Устройство по п.1, дополнительно содержащее дополнительную схему усиления (IC2A), вход которой соединен с указанным входным контактом, и дополнительный nМОП-транзистор (Q7), соединенный между массой и соединителем биполярного транзистора, который выполнен по принципу монтажа с общей базой, и затвор которого соединен с выходом дополнительной схемы усиления.

8. Применение устройства по п.1 для управления транзистором высоковольтного радиочастотного генератора для управляемого зажигания двигателя внутреннего сгорания.

9. Применение устройства по п.1 для управления транзистором высоковольтного радиочастотного генератора для создания плазмы.