Устройство для управления силовым транзисторным ключом Советский патент 1992 года по МПК H03K17/61 

Изобретение относится к импульсной технике, является усовершенствованием устройства по авт.св. № 972665 и может быть использовано преимущественно в преобразователях постоянного напряжения в постоянное, а также в импульсных модуляторах.

Известное устройство содержит силовой транзистор, трансформатор с первой и второй обмотками, соединенными встречно друг относительно друга, управляющий транзистор, первый диод и первый резистор. При этом анод первого диода соединен с общей шиной и с эмиттером управляющего транзистора, коллектор которого через первую обмотку трансформатора соединен с катодом первого диода. К нему через первый резистор подключена шина питания. Первый крайний вывод второй обмотки трансформатора соединен с базой силового транзистора, эмиттер которого подключен к отводу той же обмотки. Второй ее крайний вывод и коллектор силового транзистора присоединен к соответствующим выводам для подключения внешней нагрузки. База управляющего транзистора присоединена к внешнему источнику управляющих импульсов.

Недостаток известного устройства состоит в том, что в нем обеспечивается стабильность заданной степени насыщения силового транзистора при вариациях температуры окружающей среды и/или вариациях тока нагрузки. Как следствие, возрастает время выключения силового транзистора, что ограничивает быстродействие.

Цель изобретения - повышение быстродействия.

В известное устройство для управления силовым транзисторным ключом введены конденсатор, а также дополнительные второй резистор, второй, третий и четвертый диоды, а трансформатор снабжен дополнительно третьей обмоткой, включенной соVI

СО

о о VI

го

гласно по отношению к второй обмотке. Дополнительная обмотка включена между точкой соединения базы силового транзистора с анодом второго диода и первым выводом второго резистора. Его второй вывод соединен непосредственно с катодом второго диода и через конденсатор подключен к точке соединения катода третьего диода с анодом четвертого диода, катод которого соединен с коллектором силового транзистора. К эмиттеру последнего присоединен анод третьего диода.

Благодаря введению вустройств о по основному изобретению конденсатора, дополнительных второго резистора, второго, третьего и четвертого диодов и наличию у трансформатора дополнительной обмотки, а также соответствующих связей, достигается охват силового транзистора цепью нелинейной отрицательной обратной связи. В результате обеспечивается автоматическая стабилизация заданной степени насыщения, например, при вариациях температуры окружающей среды и/или тока нагрузки, что дает уменьшение времени выключения силового транзистора. Как следствие, увеличивается быстродействие ключа.

На фиг.1 показана принципиальная электрическая схема устройства для управления ({иловым транзисторным ключом; на фиг.2 - временные диаграммы напряжений и токов.

Устройство (фиг.1) содержит силовой транзистор 1, трансформатор 2 с первой 3 и второй 4 обмотками, соединенными встречно друг относительно друга, управляющий транзистор 5, первый диод 6 и первый резистор 7.

В устройство введены конденсатор 8, а также дополнительные второй резистор 9, второй 10, третий 11 и четвертый 12 диоды, а трансформатор 2 снабжен дополнительно третьей обмоткой 13. Анод диода 6 соединен с общей шиной и с эмиттером транзистора 5, коллектор которого через обмотку 3 трансформатора 2 соединен с катодом диода 6, к которому через резистор 7 подключена шина питания Е. Первый крайний вывод обмотки 4 соединен с базой транзистора 1, эмиттер которого подключен к отводу обмотки 4. Второй крайний вывод обмотки 4 и коллектор транзистора 1 присоединены соответственно к выводам 14 и 15 для подключения внешней нагрузки. База транзистора 5 присоединена к внешнему источнику управляющих импульсов тока lynp.

Обмотка 13, включенная согласно по отношению к обмотке 4, присоединена между точкой соединения базы транзистора 1 с анодом диода 10 и первым выводом резистора 9. Его второй вывод соединен непосредственно с катодом диода 10 и через конденсатор 8 подключен к точке соединения катода диода 11 с анодом диода 12, катод

которого соединен с коллектором транзистора 1, к эмиттеру которого присоединен анод диода 11.

Устройство работает следующим образом.

0 При подаче управляющего тока lynp от внешнего источника в базу транзистора 5 он отпирается и через него, обмотку 3 и резистор 7 протекает ток IB от источника Е (фиг.2а), Конденсатор 8 в этих условиях за5 ряжается до напряжения Ее током з через обмотки 4 и 13, включенные последовательно и согласно, диод 11 и резистор 9 (фиг.2г), диоды 6 и 10 и транзистор 1 в это время заперты, ток через внешнюю нагрузку, под0 ключенную к выводам 14 и 15, не протекает. В момент Ti начала очередного импульса ток lynp становится близким к нулю, благодаря чему транзистор 5 запирается. Емкость коллекторного перехода транзи5 стора 5 при этом заряжается через диод 6 и обмотку 3, что облегчает режим выключения транзистора 5. Под действием ЭДС самоиндукции при этом возникает ток U, отпирающий транзистор 1 и протекающий чере

0 обмотку 4 и база-эмиттерный переход транзистора.

Напряжение Ет на коллекторе транзистора 1 в процессе отпирания уменьшается, а через внешнюю нагрузку, подключенную

5 к выводам 14 и 15, начинает протекать ток (фиг.2а). Этот ток, протекая через нижнюю секцию обмотки 4 трансформатора 2, создает положительную обратную связь: ток базы транзистора 1 оказывается под ее действи0 ем пропорциональным току нагрузки (пропорционально-токовое управление, совершенно аналогично имеющемуся в устройстве по основному изобретению). В процессе отпирания транзистор 1 переходит в

5 режим насыщения.

В момент, когда напряжение EI на коллекторе транзистора 1 в процессе его отпи- рания становится меньшим, чем напряжение Ее на конденсаторе 8, отпира0 ются диоды 12 и 10 (фиг.2а). При этом начинается разряд конденсатора 8 током р по цепи: диод 12 - промежуток коллектор- эмиттер транзистора 1 - база-эмиттерный переход того же транзистора, зашунтиро5 ванный обмоткой 4 -диод 10 (фиг.2г). Ток IP направлен навстречу току U, в результате ток IK проходящий через базу транзистора 1, станоьится равным Is Ц Ip (фиг.2в). В результате возникает нелинейная отрицательная обратная связь по току базы, стабилидирующая заданную степень насыщения транзистора 1 при вариациях температуры окружающей среды и/или вариациях тока нагрузки. Так, при возрастании температуры, как известно, у транзисторов уменьша- ется напряжение насыщения, а это (при неизменном значении Eg) вызывает увеличение тока Ip разряда конденсатора 8 и, соответственно, уменьшение тока Is l4- Ip. Стабилизация заданной степени насыще- ния позволяет уменьшить время рассасывания неосновных носителей заряда в базе в условиях эксплуатации.

В момент Т2 под действием тока lynp вновь отпирается транзистор 5, диод 6 за- пирается и в базу транзистора 1 подается отрицательный ток Ц, чем достигается аналогично устройству по основному изобретению форсированное запирание транзистора 1 (фиг.2а, б).

Уменьшение времени рассасывания, достигаемое под действием описанного выше механизма нелинейной отрицательной обратной связи в сочетании с подачей запирающего тока Ц в момент Та, приводит к уменьшению времени выключения транзистора 1. Как следствие, возможно повышение быстродействия путем увеличения максимальной рабочей частоты ключа. При его использовании, например, в составе преобразователя постоянного напряжения в постоянное повышенная рабочая частота

позволит уменьшить уровень пульсаций выходного напряжения и сократить габариты и массу. Возможно также применение устройства в импульсных модуляторах - повышение рабочей частоты позволяет расширить функциональные возможности модуляторов.

В разработанном лабораторном макете предлагаемого устройства, в котором использовались транзисторы 1 и 5 типов 2Т841Б и 2Т630А и диоды 6 и 10...12 типа 2Д212А, время выключения удалось уменьшить с 1 до 0,6 мкс при токе нагрузки 3 А. Формула изобретения Устройство для управления силовым транзисторным ключом поавт.св. Мг 972665, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия, введены конденсатор, а также дополнительные второй резистор, второй, третий и четвертый диоды, а трансформатор снабжен дополнительной третьей обмоткой, которая включена согласно по отношению к вторичной обмотке между точкой соединения базы силового транзистора с анодом второго диода и первым выводом второго резистора, второй вывод которого подключен к катоду второго диода и через конденсатор - к точке соединения катода третьего диода с анодом четвертого диода, катод которого соединен с коллектором силового транзистора, а эмиттер - с анодом третьего диода.

Устройство для управления силовым транзисторным ключом является усовершенствованием устройс ва по ввт св. № 972665, и предназначено преимущественно для использования в преобразователях постоянного напряжения в постоянное, а также в импульсных модуляторах. Цель изобретения - повышение быстродействия, что достигается введением в устройство конденсатора, а также дополнительных резистора, трех диодов и третьей обмотки трансформатора с рядом новых связей. В результате достигается охват силового транзистора цепью нелинейно отрицательной обратной связи, позволяющей стабилизировать заданную степень насыщения. В результате уменьшается время выключения силового транзистора и соответственно увеличивается быстродействие. 2 ил. ё

8 12 sr

-IG tf Ј

0& Н

Упр

}иг.1

фиг.2.