Полупроводниковый ключ Советский патент 1987 года по МПК H03K17/60 

Изобретение относится к импульсной технике и может использоваться в качестве силового ключа в преобразовательных устройствах различного назначения, в частности для коммутации активно-индуктивной нагрузки при изменении тока через ключ и коэффициента заполнения в широком диапазоне. Цель изобретения - повышение КПД и быстродействия ключа.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема полупроводникового ключа.

Полупроводниковый ключ содержит составной транзистор 1, выполненный на двух транзисторах 2 и 3 например п-р-п-проводимости, между базами которых включен первый диод 4, а параллельно эмиттерным переходам под- ключены первый 5 и второй 6 резисторы, усилитель 7 мощности, состоящий из первого транзистора 8 п-р-п проводимости и второго транзистора 9 р-п-р-проводимости. Базы транзисто- ров 8 и 9 подключены к входной клемме 10, эмиттеры соединены с базой составного транзистора 1, а коллекторы через третий 11 и четвертый 12 резисторы подключены к положительной (второй) клемме 13 отпирающего и отрицательной (второй) клемме 14 запирающего источников напряжения. Отрицательная клемма отпирающего источника напряжения и эмиттер составного транзистора 1 соединены с общей шиной 15, а положительная (первая) клемма 16 запирающего источника напряжения подключена через второй 17 и третий 18 диоды к коллектору сое- тавного транзистора 1 и выходной клеме 19, а также через пороговый элемент 20, выполненньй, например, в виде последовательно включенных диодов, - к общей шине 15, причем к точ ке соединения диодов 17 и 18 подключены катод четвертого диода 21 и анод пятого диода 22. АноД диода 21 соединен с базами транзисторов 8 и 9, а катод диода 22 подключен к пол жительной клемме 13 отпирающего источника напряжения.

Полупроводниковый ключ работает следующим образом.

При отрицательном сигнале на входной клемме 10 транзистор 8 заперт, транзистор 9 открыт, отрицательным смещением на эмиттёрном переходе заo

5

jc п 25 о „

35

55

перт составной транзистор 1. Ключ разомкнут,

При поступлении положительного сигнала на входную клемму 10 запирается транзистор 9, транзистор 8 на- сьщается и обеспечивает форсированное включение составного транзистора 1 (в начальньй момент включения диоды 17 и 21 заперты высоким напряжением на коллекторе составного транзистора 1). Ток нагрузки начинает протекать по цепи: выходная клемма 19 - цепь коллектор-эмиттер составного транзистора 1 - общая шина 15. По окончании процесса включения составного транзистора 1 его напряжение коллектор-эмиттер уменьшается до напряжения насьш ения, и часть тока, поступающего на входную клемму 10, начинает протекать через последовательно включенные диоды 17 и 21, при этом в широком диапазоне тока через ключ входной ток составного транзистора 1 поддерживается пропорциональным току нагрузки, и степень насыщения составного транзистора 1 (а также его время рассасывания при поступлении запирающего сигнала на входную клемму 10) возрастает с увеличением тока нагрузки; в диоде 17 накапливается заряд неосновных носителей (в качестве диода 17 используется диффузионный диод с большим временем рассасывания, например, типа КД210 или КД202).

Таким образом, в открытом состоянии ключа достигается повышение 1ШД по сравнению с ключом по известной схеме за счет регулирования входного тока составного транзистора 1, что одновременно способствует повышению быстродействия за счет уменьшения степени насьш1ения составного транзистора 1. Кроме того, протекающий через диоды 17 и 21 ток, необходимый для обеспечения регулирования входного тока составного транзистора 1, одновременно вызывает накопление заряда неосновных носителей в диоде 17.

При поступлении отрицательного сигнала на входную клемму 10 транзистор 8 закрьшается, открывается транзистор 9, и от запирающего источника напряжения протекает ток по цепи: клемма 16 - диод 18 - дИод 17- коллекторный переход составного транзистора 1 - цепь эмиттер - коллектор

3

транзистора 9 - резистор 12 - клемма 14. При этом происходит импульсное накопление заряда неосновных носителей в диоде 17, активно рассасываются избыточные носители в коллекторной области составного транзистора 1 и последний выходит и области насьщения. Увеличение напряжения коллектор - эмиттер составног транзистора 1 приводит к запиранию диода 18, и ток оТ запирающего истоника напряжения протекает по цепи: клемма 16 - пороговый элемент 20 - эмиттерньм переход транзистора 3 - параллельно включенные эмиттерный переход транзистора 2 и диод 4 - цепь эмиттер - коллектор транзистора 9 - резистор 12 - клемма 14, вызвая активное запирание составного

транзистора 1. Напряжение коллектор эмиттер составного транзистора 1 увеличивается до напряжения, приблизительно равного сумме напряжения отпирающего источника и прямого напряжения диода 22, и остается практчески постоянным до окончания рассасывания заряда неосновных носителей в диоде 17, В это время коллекторны ток.составного транзистора 1 спадает, а.ток нагрузки протекает по цепи: выходная клемма 19 - диод 17 - диод 22 - клемма 13 - общая шина 15 После окончания рассасьшания заряда в диоде 17 нагрузка отключается.

Увеличение времени рассасывания составного транзистора 1 с ростом тока нагрузки вызывает пропорционалное увеличение заряда в диоде 17, что способствует эффективной работе ключа в широком диапазоне тока нагрузки.

Напряжение срабатывания порогового элемента 20, выполненного в виде последовательно включенных диодов, должно превышать суммарное прямое напряжение диодов 17 и 18, поэтому необходимо, чтобы число последовательно включенных диодов в пороговом эле-гл го транзистора, коллектор первого менте 20 превьшхало два, также можно в качестве порогового элемента 20 использовать низковольтньй стабилитрон .

Для надежной работы ключа необхо- „ димо в качестве диодов 18, 21 и 22 использовать диоды с малым временем восстановления, например, типа КД212 или КД213.

транзистора через третий резистор подключен к второй клемме отпирающ го источника напряжения и к катоду пятого диода, анод которого подклю чен к точке соединения катодов вто го и четвертого диодов и анода тре его диода, катод которого соединен коллектором составного транзистора анод четвертого диода подключен к

4

Кроме того, импульсное накопление заряда в диоде 17 производится током от запирающего источника напряжения, а рекуперация энергии во время рассасывания заряда в диоде 17 происходит в отпирающий источник напряжения, что дополнительно повышает эффективность ключа, поскольку напря- жение отпирающего источника, как правило, превышает напряжение запирающего источника.

15

Фо 15 мула изобретения

1. Полупроводниковьй ключ, содержащий усилитель мощности, выполненный на первом и втором транзисторах разной проводимости, базы которых подключены к входной клемме, а эмиттеры соединены между собой, отпирающий и запирающий источники напряжения, первая клемма отпирающего источника напряжения соединена с общей шиной, составной транзистор, состоящий из третьего и четвертого транзисторов одной проводимости и первого диода, эмиттер третьего транзистора соединен с анодом первого диода и с базой четвертого транзистора, эмиттер которого соединен с общей шиной, а коллектор соединен с выходной клеммой и с коллектором третьего транзистора, база которого соединена с катодом первого диода, второй диод и пороговый элемент, аноды которых соединены с первой клеммой запирающего источника напряжения, а катод порогового элемента соединен с общей шиной, отличающийся тем, что,, с целью повышения КПД и быстродействия, введены третий, четвертьй и пятый диоды, первый, второй, третий и четвертый резисторы, причем первый резистор подключен параллельно эмит- терному переходу третьего транзистора, второй резистор подключен параллельно эмиттерному переходу четвертого транзистора, коллектор первого

транзистора через третий резистор подключен к второй клемме отпирающего источника напряжения и к катоду пятого диода, анод которого подключен к точке соединения катодов второго и четвертого диодов и анода третьего диода, катод которого соединен с коллектором составного транзистора, анод четвертого диода подключен к

51298886 ,(базам первого и второго транзисторов, соединена с эмиттерами первого и вто- коллектор второго транзистора через рого транзисторов, четвертый резистор соединен с второй 2. Ключ поп.1, отличаю- клеммой запирающего источника напря- щ и и с я тем, что пороговьй элежения, база составного транзистора5 мент выполнен в виде стабилитрона.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в преобразовательных устройствах различного назначения, особенно для коммутации активно-индуктивных нагрузок. Цель изобретения - повьйпение КПД и быстродействия. Для этого в устройство введены три диода 18, 21 р 22. Устройство содержит составной 73 К 2 транзистор 1, выполненный на двух транзисторах 2 и 3 одного типа проводимости, усилитель 7 мощности, выполненный на двух транзисторах 8 и 9 разного типа проводимости, резисторы 5, 6, 11 и 12, диоды 4, 17, пороговьш элемент 20, выполненный на последовательно соединенных диодах. На чертеже также показаны клеммы подключения устройства: первая клемма 13 отпирающего источника напряжения, первая 14 и вторая 16 клеммы запирающего источника напряжения, выходная клемма 19 устройства, общая шина 15. Введение в устройство дополнительных диодов с новыми связями позволяет осуществить регулирование входного тока составного транзистора, рекуперацию энергии в отпирающий источник напряжения, что и приводит к достижению поставленной цели. 1 з.п. ф-лы, 1 ил. i (Л с