Устройство для управления мощным полевым транзистором Советский патент 1992 года по МПК H02M1/08 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в различных системах электропитания радиоаппаратуры, вычислительной техники и средств связи.

Известны устройства управления мощными полевыми транзисторами со статической индукцией (СИТ), состоящие из формирователей запирающего и отпирающего напряжений, переключение СИТ производится перепадом напряжения, прикладываемого между его затвором и истоком. При этом ток стока определяется напряжением питания и сопротивлением нагрузки цепи стока и, кроме того, зависит от значения напряжения на затворе.

СИТ - нормально открытый прибор с управляющим p-n-переходом и при нулевом напряжении на затворе цепь сток-исток транзистора находится в проводящем состоянии. Перевод последней в непроводящее состояние осуществляется при помощи запирающего напряжения отрицательной полярности, прикладываемого между затвором и истоком.

Формирование запирающего напряжения такими устройствами управления через развязывающие трансформаторы приводит к избыточному положительному напряжению на затворе мощного полевого транзистора, для ограничения которого необходимо применять специальные меры. Традиционные способы ограничения положительного напряжения на затворе мощного полевого транзистора приводят к росту энергетических потерь на управление, увеличению полного сопротивления в цепи затвора, что в свою очередь ограничивает сверху диапазон рабочих частот мощных полевых транзисторов применяемых в высокочастотных преобразователях напряжения.

Устройства управления мощными полевыми транзисторами, используемые в мостовых и полумостовых высокочастотных преобразователях напряжения, формируют отпирающие и запирающие импульсы в форме меандра, амплитудой 25 В в зависимости от типа полевого транзистора. Для эффективного отпирания таких транзисторов, когда сопротивление сток-исток достигает 0,1-0,05 Ом, достаточно к затвору приложить положительное напряжение 0,6- 1.0.В, а для надежного запирания -отрицательное напряжение 10-25 В.

Ввиду того, что мощность управления мощным полевым транзистором

Рупр Свх U F,

где Свх - эффективная ёмкость с учетом эффекта Миллера;

U - напряжение управления;

F - частота переключения , то формирование избыточного положительного напряжения приводит к росту мощности управления, часть которой используется для переключения транзисторов, другая часть выделяется в виде тепла на управляющих ключах и ограничителе отпирающего тока в цепи затвора.

Учитывая, что мощные полевые транзисторы имеют значительные входные емкости, поэтому обычно стремятся уменьшить постоянную времени входной цепи транзистора с тем чтобы повысить быстродействие в режиме переключения, при этом длительность фронтов запирающих и отпирающих импульсов зависит от полного последовательного сопротивления в цепи затвора, которое, помимо других составляющих, включает в себя сопротивление ограничителя отпирающего тока. Величина этого сопротивления может достигать значительной величины при формировании избыточного положительного напряжения, которое в свою очередь резко увеличивает полную эффективную входную емкость транзистора.

Так как длительность фронта может быть выражена в постоянных времени цепи затвора

0т.ф 2,2ЯСвх,

где R - полное последовательное сопротивление;

Свх - полная эффективная входная емкость, с учетом эффекта Миллера, то умень5 шение значения отпирающего напряжения, при сохранении необходимого тока управления, приводит к уменьшению длительности фронта переключения, вследствие уменьшения полного последовательного со0 противления в цепи затвора полевого транзистора.

Наиболее близким техническим решением является устройство управления СИТ, содержащее генераторы отпирающего и за5 пирающего напряжения. Формируемые им- пульсы через развязывающие трансформаторы управляют ключами на биполярном транзисторе и диоде соответственно отпирающего и запирающего

0 напряжения. Отпирающее напряжение через транзистор, ограничительный резистор отпирающего тока и формирующий конденсатор обеспечивают режим включения полевого транзистора, а запирающее

5 напряжение подается через диод.

Недостатком указанного устройства управления является формирование избыточного напряжения на вторичной обмотке развязывающего трансформатора, подклю0 ченного к генератору отпирающего напряжения, Это обстоятельство приводит к необходимости в установке ограничителя отпирающего тока в цепи затвора, приводящее к увеличению полного последователь5 ного сопротивления, что увеличивает длительность фронтов переключения, то есть ограничивает сверху диапазоны рабочих частот мощных полевых транзисторов. Цель изобретения - расширение сверху

0 диапазона рабочих частот мощных полевых транзисторов, уменьшение энергетических потерь на управление.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для управления мощным поле5 вым транзистором, содержащее генератор управляющих импульсов, выход которого подключен к первичной обмотке развязывающего трансформатора, первая вторичная обмотка которого через первый ограничительный резистор подключена к база-эмиттерному переходу запирающего транзистора, а вторая вторичная обмотка через второй ограничительный резистор подключена к база-эмиттерному переходу отпирающего транзистора, причем эмиттер запирающего и коллектор отпирающего транзисторов предназначены для подключения к затвору мощного полевого транзистора снабжено источником положительного отпирающего напряжения, запускающим резистором и опережающим источником отрицательного напряжения, минусовой вывод которого подключен к коллектору запирающего транзистора непосредственно и к эмиттеру через запускающий резистор, а плюсовой вывод подключен к эмиттеру отпирающего транзистора и к плюсовому выводу источника положительного отпирающего напряжения, минусовой вывод которого предназначен для подключения к истоку мощного полевого транзистора, развязывающий трансформатор снабжен дополнительной вторичной обмоткой, а источник положительного отпирающего напряжения выполнен на дополнительной вторичной обмотке развязывающего трансформатора, подключенной через выпрямительный диод к накопительному конденсатору, защунти- рованному ограничителем отпирающего на- пряжения, причем точка соединения катода выпрямительного диода с выводом накопительного конденсатора использована как плюсовой вывод источника положительного отпирающего напряжения.

Введенные в устройство управления опережающий источник отрицательного напряжения и запускающий резистор, служащие для формирования и подачи на затвор мощного полевого транзистора запираю- щего напряжения, и последовательно включенный с ним источник отпирающего напряжения, состоящий из вторичной обмотки развязывающего трансформатора, выпрямительного диода, накопительного конденсатора и ограничителя отпирающего напряжения, совместно с отпирающим и запирающим транзисторами проявляют новое свойство - формируют оптимальную амплитуду отпирающих и запирающих им- пульсов. Так как амплитуда запирающих им- пульсов определяется значением напряжения на опережающем отрицательном источнике, соответствующим напряже- нию отсечки, мощного полевого транзистора, а амплитуда отпирающих импульсов - значением напряжения на положительном источнике. Напряжение затвор-исток мощного полевого транзистора, определяемое его входной характеристикой составляет 0,6-1 В. Формирование

на затворе такого напряжения позволяет исключить ограничитель отпирающего тока и, тем самым, уменьшить постоянную времени входной цепи транзистора, Это позволяет уменьшить постоянную времени входной цепи и увеличить сверху диапазон рабочих частот.

На фиг. 1 представлена электрическая схема устройства управления на фиг. 2 - график зависимости напряжения от времени.

Устройство содержит генератор 1 управляющих импульсов, подключенный к первичной обмотке развязывающего трансформатора 2, один вывод вторичной обмотки 3 подключен через ограничительный резистор 4 к к база-эмиттерному переходу запирающего транзистора 5, эмиттер которого подключен к запускающему резистору 6, второму выводу вторичной обмотки 3, затвору транзистора 7 и к коллектору отпирающего транзистора 8, база которого через ограничительный резистор 9 подключена к выводу вторичной обмотки 10, второй вывод которой подключен к эмиттеру транзистора 8, который подключен к.плюсу источника 11, минус которого подключен к резистору 6 и коллектору транзистора 5 и подключен к ограничителю отпирающего напряжения 12, конденсатору 13.и катоду диода 14, анод которого подключен к вторичной обмотке 15, второй вывод которой подключен к конденсатору 13, ограничителю отпирающего напряжения 12, минусу источника 16 питания и к истоку транзистора 7, сток которого через нагрузочный резистор 17 подключен к плюсу источника 16 питания.

В качестве .генератора управляющих импульсов может быть использован задающий генератор прямоугольного напряжения с паузой на нуле.

В качестве опережающего источника отрицательного напряжения может быть использован простой однотактный преобразователь постоянного напряжения, работающий на частоте 50-80 кГц, формирующий на выходе отрицательное напряжение 15-25 В.

Предлагаемое устройство управления реализовано на биполярных транзисторах типа КТ626 и работает следующим образом.

В начальный.момент времени между затвором и истоком транзистора 7 от источника 11 через резистор 6 приложено запирающее напряжение (фиг.2, U3n), поэтому транзистор 7 закрыт и напряжение на его стоке Уси равно напряжению источника питания 16 ип (фиг. 2, Уси). С приходом импульсов управления от генератора 1 на вто- ричных обмотках трансформатора 2

наводятся импульсы управления Кз, Uio, Ui5. приведенные на фиг. 2, которые запирают транзистор 5 и отпирают транзистор 8. С вторичной обмотки 15 импульсы через диод 14 заряжают конденсатор 13 до напряжения и0тп, которое через открытый транзи- стор 8 прикладывается к затвору транзистора 7. Входная емкость СВх транзистора 7 перезаряжается до положительного напряжения, он открывается и насыщается током, ограниченным напряжением Узи транзистора 7 и нагрузочным резистором 17. При этом напряжение на стоке открытого транзистора 7 достигает UOCT. С приходом отпирающего импульса на транзистор 5 и запирающего на транзистор 8, последний запирается, а транзистор 5 отпирается и через него происходит перезаряд входной емкости транзистора 7 до напряжения запирания, соответствующего напряжению источника 11, и он запирается. В дальнейшем процесс переключения транзистора 7 повторяется. Значениеограничител я отпирающего напряжения 12 выбирается так, чтобы напряжение Узи с учетом падения напряжения на открытом транзисторе 8 не превышало значения 0,7-1,0 В.

Таким образом ведение отпирающего источника питания последовательно включенного с запирающим источником позволяет исключить ограничитель отпирающего тока, тем самым уменьшить полное сопротивление в цепи затвора и достигнуть поставленную цель - расширить сверху диапазон рабочих частот мощных полевых транзисторов и уменьшить потери на управление.

Формула изобретения 1. Устройство для управления мощным полевым транзистором, содержащее генератор управляющих импульсов, выход которого подключен к первичной обмотке

развязывающего трансформатора, первая вторичная обмотка которого через первый ограничительный резистор подключена к база-эмиттерному переходу запирающего

транзистора, а вторая вторичная обмотка через второй ограничительный резистор подключена к база-эмиттерному переходу отпирающего транзистора, причем эмиттер запирающего и коллектор отпирающего

транзистора предназначены для подключены к затвору мощного полевого транзистора, о т л ичающееся тем, что, с целью расширения сверху диапазона рабочих частот при одновременном уменьшении потерь

на управление, оно снабжено источником положительного отпирающего напряжения, запускающим резистором и опережающим источником отрицательного напряжения, минусовой вывод которого подключен к коллектору запирающего транзистора непосредственно и к эмиттеру через запускающий резистор, а плюсовой вывод подключен к эмиттеру отпирающего транзистора и к плюсовому выводу источника положительного отпирающего напряжения, минусовой вывод которого предназначен для подключения к истоку мощного полевого транзистора.

2. Устройство по п. 1,отличающеес я тем, что развязывающий трансформатор снабжен дополнительной вторичной обмоткой, а источник положительного отпирающего напряжения выполнен на дополнительной вторичной обмотке развязывающего трансформатора, подключенной через выпрямительный диод к накопительному конденсатору, зашунтиро- ванному ограничителем отпирающего напряжения, причем точка соединения катода

выпрямительного диода с выводом накопительного конденсатора использована как плюсовой вывод источника положительного отпирающего напряжения.

Изобретение относится к электротехнике. Целью изобретения является увеличение сверху диапазона рабочих частот мощных полевых транзисторов, уменьшение энергетических потерь на управление. Запирающий отрицательный источник с запускающим резистором и отпирающий положительный источник, введенные в цепи формирования управляющих импульсов мощным полевым транзистором совместно с генератором импульсов, через соответствующие ключи формируют оптимальную амплитуду запирающих и отпирающих импульсов. При этом уменьшается полное последовательное сопротивление в цепи затвора, что приводит к уменьшению времени заряда и перезаряда входной емкости полевого транзистора. Это позволяет использовать мощные полевые транзисторы на более высокой частоте с минимальными энергетическими потерями на управление в высокочастотных преобразователях напряжения импульсных источников электропитания, и также других устройствах, где применяются преобразователи напряжения. 2 ил. Ё VI ю ел со СО со