Ключевое устройство Советский патент 1992 года по МПК H03K3/353 H03K17/687 

.фаг. 5

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в качестве мощных ВЧ-генераторов радиопередающих и других устройств.

Известно ключевое устройство, содержащее входной трансформатор с двумя вторичными обмотками и два биполярных транзистора, между коллектором и эмиттером каждого из которых подключены обратные диоды, а вторичные обмотки трансформатора подключены противофаз- но между базой и эмиттером первого и второго биполярных транзисторов соответственно, эмиттер первого биполярного транзистора соединен с общей шиной, а его коллектор - с выходом устройства и эмиттером второго биполярного транзистора, коллектор которого соединен с шиной питания. Транзисторы такого устройства работают в режим насыщения, что обуславливает малые статические потери (потери, обусловленные остаточным напряжением на транзисторе).

Однако применение таких устройств возможно лишь в области НЧ-диапазона из- за значительных времен выключения транзисторов - рассасывания избыточного заряда в области базы (время задержки выключения достигает нескольких микросекунд для мощных высокочастотных транзисторов). Значительное время выключения биполярных транзисторов обуславливает возникновение сквозных токов транзистор - транзистор, которые снижают надежность устройства, уменьшает его КПД, что ограничивает его верхнюю рабочую частоту величиной в десятки килогерц.

При использовании в таких ключевых устройствах ненасыщающихся биполярных транзисторов время задержки их выключения уменьшается до долей микросекунды, что позволяет поднять верхнюю рабочую частоту до сотен килогерц. При дальнейшем повышении рабочей частоты КПД такого устройства падает вследствие возрастания динамических потерь, обусловленных инерционностью биполярных транзисторов.

Известно ключевое устройство, содержащее входной трансформатор с двумях вторичными обмотками, два МДП-транзистора, между стоком и истоком каждого из которых подключены обратные диоды, а вторичные обмотки трансформатора подключены противофазно между затвором и истоком первого и второго МДП-транзистора соответственно, исток первого МДП-транзистора соединен с общей шиной, а его сток - с выходом устройства и истоком второго МДП-транзистора, сток которого соединен с шиной питания.

Применение в ключевых устройствах МДП-транзисторов, задержка выключения которых составляет десятки-сотни наносекунд, позволяет значительно поднять верхнюю рабочую частоту (до единиц мегагерц). Однако в известном устройстве задержка выключения МДП-транзистора также вызывает протекание сквозных токов транзистор-транзистор, что снижает надежность и

0 КПД устройства, так как является причиной рассеяния на стоках транзисторов больших мгновенных мощностей.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является ключевое устройство

5 (фиг.1), содержащее входной трансформатор 1, два МДП-транзистора 9 и 20, два диода 11 и 21, два резистора 7и18,шину10 питания и общую шину 22, первый вывод первой вторичной обмотки входного транс0 форматора 1 соединен с одним из выводов резистора 7, второй вывод которого соединен с затвором МДП-транзистора 9, сток которого соединен с шиной 1.0 питания и катодом диода 11, анод которого соединен

5 с источником МДП-транзистора 9, выходом устройства, вторым выводом первой вторичной обмотки трансформатора 1, катодом диода 21 и стоком МДП-транзистора 20, исток которого соединен с анодом диода 21, об0 щей шиной 22 и первым выводом второй вторичной обмотки трансформатора 1, первый вывод которой соединен с одним из выводов резистора 18, второй вывод которого соединен с затвором МДП-транзистора

5 20.

Эпюры напряжений, отражающие работу известного устройства на широкополос- ную-резистивную (сплошная линия) и резонансную (пунктирная линия) нагрузки,

0 показаны на фиг. 2.

Известное устройство работает следующим образом. Входной сигнал типа меандр поступает на первичную обмотку входного трансформатора 1. Резисторы 7 и 18 совме5 стно с входными емкостями МДП-транзисторов 9 и 20 образуют цепи задержки включения последних. Выбором величины сопротивления R резисторов 7 и 18 обеспечивается режим работы устройства, при ко0 тором время время задержки включения ta транзистора будет не меньше времени задержки его выключения, что обеспечит отсутствие сквозных токов и высокую надежность устройства. Вследствие раз5 броса величины входной емкости МДП- транзисторов необходимо выбирать время задержки включения не меньше максимально возможной величины задержки выключения транзистора. Обратные диоды 11 и 21 обеспечивают замыкание тока полосовой

(резонансной) нагрузки при ее расстройке (реактивном характере нагрузки). Достоинством известного устройства является его широкополосность и способность работать вплоть до частот КВ-диапазона,

Недостатком известного устройства является сравнительно низкий КПД, обусловленный повышенными остаточными напряжениями на транзисторах вследствие медленного возрастания (с постоянной времени, определяемой R7 и 18 и входной емкостью МДП-транзистора) напряжения между затвором и истоком (фиг. 26, в),и, следовательно, медленного открывания транзистора. В качестве примера рассмотрим устройство на транзисторах 2П922 (Сзи 2000 пф, минимальное пороговое напряжение Un 2В), нагруженное на последовательный колебательный контур. Пусть рабочая частота МГц, а необходимое для устранения сквозных токов время задержки включения Из - 50 не. Для рассматриваемой схемы при амплитуде управляющего напряжения Uy на вторичной обмотке трансфер- матора, равной 20 В, задержка включения

т.3 ti-t2 г 1п(11 /9) 0,6 т, где ti In (20/9), t2 rln(20/11), т НСзи, откуда т 85 не. При этом в случае резонансной нагрузки максимальный ток через транзи- стор протекает в момент (4f)175 не, когда напряжение затвор-исток еще возрастает и достигает только величины 0,74 Uy. Последнее обуславливает неполное открывание канала транзистора (т.е., приводит к повышению остаточного напряжения сток- исток) и вызывает значительные потери (особенно при большом коэффициенте использования транзисторов по току), которые увеличиваются с ростом постоянной времени включения транзистора. Увеличение амплитуды управляющего напряжения ограничено как максимально допустимой величиной напряжения затвор-исток, так и увеличением требуемой от устройства уп- равления мощности. В случае широкополосной (например, резистивной) нагрузки описанное явление будет выражено еще больше.

Таким образом, известное устройство работает без сквозных токов, но с невысоким КПД из-за значительной величины остаточного напряжения на транзисторах, обусловленной их медленным открывани- ем. С повышением рабочей частоты эти недостатки известного устройства, выражающиеся в понижении КПД, становятся все более существенными.

Цель изобретения - повышение КПД ключевого устройства при расширении полосы рабочих частот.

Указанная цель достигается тем, что в ключевое устройство, содержащее входной трансформатор, первый и второй резисторы, первый и второй диоды, а также первый и второй МДП-транзисторы, сток первого из которых соединен с шиной питания устройства и катодом первого диода, а его исток соединен с анодом первого диода, катодом второго диода, вторым выводом первой вторичной обмотки входного трансформатора и со стоком второго МДП-транзистора, исток которого соединен с общей шиной устройства, анодом второго диода и первым выводом второй вторичной обмотки входного трансформатора, причем затвор первого МДП-транзистора соединен с вторым выводом первого резистора, а затвор второго МДП-транзистора - с вторым выводом второго резистора, введены первый и второй конденсаторы, третий и четвертый резисторы, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой диоды, первый и второй дроссели, первый и второй стабилитроны, причем первый вывод первой вторичной обмотки входного трансформатора через пер- вый конденсатор соединен с первым вы водом третьего резистора, катодом третьего диода и анодом четвертого диода, катод которого через первый дроссель соединен с первым выводом первого резистора и анодом третьего диода, аналогично второй вывод второй вторичной обмотки входного трансформатора через второй конденсатор соединен с первым выводом четвертого резистора, катодом пятого диода и анодом шестого диода, катод которого через второй дроссель соединен с первым выводом второго резистора и анодом пятого диода, при этом второй вывод третьего резистора и катод первого стабилитрона соединены с истоком первого МДП-транзистора, а второй вывод четвертого резистора и катод второго стабилитрона - с истоком второго МДП- транзистора, причем анод первого стабилитрона соединен с анодом седьмого диода, катод которого подключен к затвору первого МДП-транзистора, а анод второго стабилитрона соединен с анодом восьмого диода, катод которого подключен к затвору второго МДП-транзистора.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в увеличении КПД ключевого генератора за счет уменьшения остаточного напряжения на ключевых элементах при обеспечении требуемой для исключения сквозных токов величины задержки включения МДП-транзисторо.в.

На фиг. 1 представлена схема известного устройства; на фиг. 2 - эпюры, поясняющие принцип работы известного устройства: напряжение на первой вторичной обмотке входного трансформатора 1(а), напряжение затвор-исток МДП-транзисто ра 9(6), напряжение затвор-исток МДП- транзистора 20(в), выходное напряжение устройства, (сплошная линия - широкополосная нагрузка, пунктирная линия - полосовая нагрузка) (ч); на фиг, 3 - схема предлагаемого устройства; на фиг. 4 - эпюры, поясняющие принцип работы предлагаемого устройства: напряжение на первой вторичной обмотке входного трансформатора 1 (а), напряжение затвор-исток МДП- транзистора 9(6), выходное напряжение устройства (сплошная линия - широкополосная нагрузка, пунктирная линия - полосовая нагрузка) (в).

Предлагаемое устройство (фиг.З) содержит входной трансформатор 1, первый конденсатор 2, третий резистор 3, третий диод 4, четвертый диод 5, первый дроссель 6, первый резистор 7, седьмой диод 8, первый МДП-транзистор 9, шину 10 питания, первый диод 11, первый стабилитрон 12, второй конденсатор 13, четвертый резистор 14, пятый диод 15, шестой диод 16, второй дроссель 17, второй резистор 18, восьмой диод 19, второй МДП-транзистор 20, второй диод 21, общую шину 22, второй стабилитрон 23. Сток первого МДП-транзистора 9 соединен с шиной 10 питания устройства и катодом первого диода 11, а его исток соединен с анодом первого диода 11, катодом второго диода 21, вторым выводом первой вторичной обмотки входного трансформатора 1 и со стоком второго МДП-транзистора 20, исток которого соединен с общей шиной 22 устройства, анодом второго диода 21 и первым выводом второй вторичной обмотки входного трансформатора 1, причем затвор первого МДП-транзистора 9 соединен с вторым выводом первого резистора 7, а затвор второго МДП-транзистора 20 - с вторым выводом второго резистора 18, первый вывод первой вторичной обмотки входного трансформатора 1 через первый конденсатор 2 соединен с первым выводом третьего резистора 3, катодом третьего диода 4 и анодом четвертого диода 5, катод которого через первый дроссель 6 соединен с первым выводом первого резистора 7 и анодом третьего диода 4. Аналогично второй вывод второй вторичной обмотки входного трансформатора 1 через второй конденсатор 13 соединен с первым выводом четвертого резистора 14, катодом пятого диода 15 и анодом шестого диода 16, катод которого через

второй дроссель 17 соединен с первым вы водом второго резистора 18 и анодом пятого

диода 15. При этом второй вывод третьего

резистора 3 и катод первого стабилитрона

12 соединены с истоком первого МДП-транзистора 9, а второй вывод четвертого резистора 14 и катод второго стабилитрона 23 - с истоком второго МДП-транзистора 20, причем анод первого стабилитрона 12 сое0 динен с анодом седьмого диода 8, катод которого подключен к затвору первого МДП-транзистора 9, а анод второго стабилитрона 23 соединен с анодом восьмого диода 19, катод которого подключен к затвору

5 второго МДП-транзистора 20.

Входной трансформатор 1, как и в известном устройстве, предназначен для передачи прямоугольных импульсов управления и должен быть широкополосным (желатель0 но трансформатор типа длинной линии), вторичные обмотки трансформатора идентичны одна другой, а их противофазное подключение к затворам МДП-транзисторов обеспечивает их противофазное управле5 ние.

Диоды 4, 5, 8, 11, 15, 16, 19 и 21 - высокочастотные, импульсные, например, типа 2Д510, 2Д522.

Дроссели 6 и 17 - высокочастотные, на0 пример, стандартные типа ДМ.

Конденсаторы 2 и 13 разделительные. Величина их емкости должна быть достаточной, чтобы не ослаблять сигнал рабочей частоты.

5 Стабилитроны 12 и 23 совместно с диодами 8 и 19 обеспечивают фиксацию отрицательного уровня входного напряжения транзисторов на уровне -Уст.

Устройство работает следующим обра0 зом.

Поскольку устройство содержит два идентичных плеча, управляемых в противо- фазе, то остановимся на работе одного из них - верхнего плеча (фиг.З). В предлагае5 мом устройстве задержка включения МДП-транзистора формируется с использованием резонансной цепи, содержащей диод 5, дроссель 6 и входную емкость () транзистора 9, Поскольку началь0 ный участок зависимости изменения напряжения затвор-исток (фиг.4б) уплощен, то для обеспечения малого времени включения транзистора в устройстве используется смещение (на 3...5 В) управляющего напря5 жения (на величину 1)Ст) в область отрицательных значений (стабилитрон 12, диод 8 и конденсатор 2). При этом для выравнивания токов через конденсатор 2 (во время положительного и отрицательного управляющего напряжения), что необходимо для

фиксации величины отрицательного уровня UCT, используется резистор 3, величина которого обычно составляет сотни ом. Величи- на конденсатора 2(13) должна быть достаточной, чтобы не ослаблять сигнал рабочей частоты.

Таким образом, напряжение Us на затворе МДП-транзистора 9 при положительной полярности управляющего напряжения на первом выводе первой вторичной обмотки входного трансформатора 1 возрастает от U3 -Уст по закону

U3 -UcT + 2Uy(1-cosu U (1)

а 1 /(L Сзи), где L - величина дросселя 6 (17).

При достижении на затворе положительного уровня UM (2Uy - UCT) отпирается диод 4 и возрастание напряжения на затворе прекращается (фиг.4б). Очевидно, что для достижения определенного уровня напряжения на затворе МДП-транзистора (требуемого для его полного отпирания) в предлагаемом устройстве необходимо использование существенно более низкого управляющего напряжения, что позволяет значительно снизить мощность, потребляемую от устройства управления.

Задержка включения МДП-транзистора в предлагаемом устройстве определяется временем достижения напряжением затвор-исток величины порогового напряжения МДП-транзистора, т.е. с учетом (1) t3 (LC3nr5arccos((1-(Un+ UCT)/2Uy. (2)

При смене знака управляющее напряжения входная емкость МДП-транзистора быстро перезаряжается через цепь: диод 4, резистор 7, что приводит к запиранию транзистора. Резистор 7 ограничивает ток перезаряда входной емкости МДП-транзистора и определяет время его выключения. Поскольку резистор 7(18) вносит потери в резонансную цепь, формирующую требуемую форму напряжения на затворе, и в основном определяет ее добротность, то его величина не должна быть слишком большой. Кроме того, резистор 7 служит для устранения паразитных высокочастотных колебаний, обусловленных входной емкостью транзистора и паразитными индуктивностями входной цепи. На практике его величина в зависимости от типа транзисторов и рабочей частоты устройства обычно составляет единицы-десятки ом.

Пример, Рассмотрим ключевое устройство на транзисторах 2П922. Пусть напряжение стабилизации UCT составляет 5 В, тогда из условия UM 20 В (как в известном устройстве) находим Uy 0,5 (UM + UCT) 12,5 В, т.е. в предлагаемом устройстве необходимая величина управляющего напряжения почти в два раза меньше, чем в известном устройстве (что позволяет снизить потери на перезаряд входной емкости МДП-транзистора почти в четыре раза). Величина дросселя 6(17), позволяющая получить требуемое время задержки (т.э 50 не), может быть определена из (2):

(C3n arccos2 (1-(Un+ UCT)/2Uy)

0 2,1 мкГн.

При этом время ti достижения на затворе МДП-транзистора напряжения UM равно ti - тг(1Сзи)° 5/2 100 не, т.е. уже через 100 не напряжение на затворе зафиксируется

5 на максимальном уровне UM 20 В. В известном устройстве в этот же момент времени напряжение на затворе МДП-транзистора достигнет только величины 0,6 UM.

Таким образом, в предлагаемом устрой0 стве обеспечивается существенно меньшая величина остаточного напряжения на силовых транзисторах (как в случае широкополосной, так и резистивной нагрузки), что обеспечивает снижение потерь в транзисто5 pax и существенное повышение КПД устройства. Например, в предлагаемом ключевом устройстве мощностью 200 Вт на частоте 1,7 МГц потери на транзисторах снижаются более чем на 8 Вт, а его КПД по

0 сравнению с известным устройством возрастает с.90 до 94%. Данное снижение потерь позволяет расширить полосу рабочих частот устройства в 2...3 раза. При этом стоимость предлагаемого устройства незначительно

5 (на 2, ..4%) превышает стоимость известного при существенном снижении потерь и повышении КПД, что делает целесообразным его внедрение.

Был собран макет устройства мощно0 стью 200 Вт на МДП-транзисторах 2П922А, экспериментальное исследование которого подтвердило перечисленные выше преимущества предлагаемого технического решения.

5

Формула изобретения Ключевое устройство, содержащее входной трансформатор, первый и второй резисторы, первый и второй диоды, а также

0 первый и второй МДП-транзисторы, сток первого из которых соединен с шиной питания устройства и катодом первого диода, а его исток соединен с анодом первого диода, катодом второго диода, вторым выводом

5 первой вторичной обмотки входного трансформатора и с стоком второго МДП-транзистора, исток которого соединен с общей шиной устройства, анодом второго диода и первым выводом второй вторичной обмотки входного трансформатора, причем затвор

первого МДП-транзистора соединен с вторым выводом первого резистора, а затвор второго МДП-транзистора - с вторым выводом второго резистора, отличающее- с я тем, что, с целью повышения КПД устройства при расширении полосы рабочих частот, введены первый и второй конденсаторы, третий и четвертый резисторы, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой диоды, первый и второй дроссели, первый и второй стабилитроны, причем первый вывод первой вторичной обмотки вход- ного трансформатора через первый конденсатор соединен с первым выводом третьего резистора, катодом третьего диода и анодом четвертого диода, катод которого через первый дроссель соединен с первым выводом первого резистора и анодом третьего диода, второй вывод второй вторичной

0

5

0

обмотки входного трансформатора через второй конденсатор соединен с первым выводом четвертого резистора, катодом пятого диода и анодом шестого диода, катод которого через второй дроссель соединен с первым выводом второго резистора и анодом пятого диода, при этом второй вывод третьего резистора и катод первого стабилитрона соединены с истоком первого МДП- транзистора, а второй вывод четвертого резистора и катод второго стабилитрона - с истоком второго МДП-транзистора, причем анод первого стабилитрона соединен с анодом седьмого диода, катод которого подключен к затвору первого МДП-транзистора, а анод второго стабилитрона соединен с анодом восьмого диода, катод которого подключен к затвору второго МДП- транзистора.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в мощных ВЧ-генераторах радиопередающих устройств и технологических установок. Цель изобретения - повышение КПД устройства при расширении полосы рабочих частот. Для этого в устройство введены конденсаторы 2, 13, резисторы 3, 14, диоды 4,5,8,15,16,19, дроссели 6,17, стабилитроны 12,23. Первый вывод первой вторичной обмотки входного трансформатора 1 через конденсатор 2 соединен с первым выводом резистора 3, катодом диода 4 и анодом диода 5, катод которого через дроссель 6 соединен с первым выводом резистора 7 и анодом диода 4. Аналогично второй вывод второй вторичной обмотки входного трансформатора 1 через конденсатор 13 соединен с первым выводом резистора 14, катодом диода 15 и анодом диода 16, катод которого через дроссель 17 соединен с первым выводом резистора 18 и анодом диода 15. При этом второй вывод резистора 3 и катод стабилитрона 12 соединены с истоком МДП-транзи- стора 9, а второй вывод резистора 14 и катод стабилитрона 23 - с истоком МДП-транзи- стора 20; анод стабилитрона 12 соединен с анодом диода 8, а его катод подключен к затвору МДП-транзистора 9; анод стабилит1 рона 23 соединен с анодом диода 19, катод которого подключен к затвору МДП-транзистора 20. 4 ил. Ј и М о ON

&ХОдНОЙ ТрАНСрерМАТОр

U. JH ПИ Г АН Ир 1л

ШИНА

Фкг. 4