Магнитно-транзисторный ключ Советский патент 1992 года по МПК H03K17/60 

сл

С

Использование: в электротехнике в преобразователях электрической энергии и ис- точках электропитания. Сущность изобретения: устройство содержит 2 транзистора (3, 4), 2 диода (9, 10), 1 ключевой элемент (2), 1 источник управляющего тока

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в преобразователях электрической энергии и источниках электропитания.

Целью изобретения является расширение области применения, повышение надежности и быстродействия, а также упрощение устройства.

На фиг.1 приведена схема магнитно- транзисторного ключа по п.1 формулы; на фиг.2 -диаграммы, иллюстрирующие работу ключа; на фиг.З - схема ключа по п.2 формулы.

Магнитно-транзисторный ключ содержит источник 1 управляющего тока, ключевой элемент 2, вспомогательный 3 и силовой 4 транзисторы, трансформатор тока 5 с первой 6, второй 7 и третьей 8 обмотками, первый 9 и второй 10 диоды, ограничитель 11 напряжения, клеммы для подключения нагрузки 12 и 13 и резистор 14.

Коллектор силового транзистора 4 соединен с первой клеммой для подключения нагрузки 12, а его эмиттер - с первым выводом источника 1 управляющего тока, началами первой 6, третьей 8 и концом второй 7 обмоток трансформатора тока 5. Второй вывод источника 1 управляющего тока через ключевой элемент 2 подключен к базе транзистора 3, эмиттер, которого подключен к базе транзистора 4. Начало обмотки 7 через второй диод 10, соединено с коллектором транзистора 3. Между концом второй обмотки 8 и базой транзистора 4 включена последовательная цепь из первого диода 9 и ограничителя 11.

Конец первой обмотки 6 соединен с второй клеммой для подключения нагрузки 13. Резистор 14 шунтирует переход эмиттер- база транзистора 3. Первая обмотка 6 может быть включена и в цепь коллектора, что не

-д

4

|ЬО SO

оо оо

имеет принципиального значения (см.пунктир на фиг.1).

Магнитно-транзисторный ключ работает следующим образом.

При замыкании ключевого элемента 2 возникает путь для протекания базового тока транзисторов 3 и 4, что приводит к открыванию этих транзисторов и протеканию тока нагрузки через силовую цепь транзистора 4 и первую обмотку 6. Часть этого тока трансформируется во вторую обмотку 7, благодаря чему базовый ток транзистора 4 замыкается по цепи обмотка 7 - диод 10 - транзистор 3 - переход база-эмиттер транзистора 4 и поддерживает ключ в открытом состоянии. Напряжение ограничителя 11 выбирается таким образом, чтобы оно превышало напряжение на обмотке 8.

Вследствие этого цепь из диода 9, ограничителя 11 и обмотки 8 на работу ключа в открытом состоянии влияния не оказывает.

При размыкании ключевого элемента 2 выключается транзистор 3 и размыкается цепь для протекания базового тока транзистора, после чего начинается процесс рассогласования неосновных носителей, накопившихся на границе коллекторного перехода. При этом в устройстве может протекать три тока. Это ток коллектора к, который протекает через коллекторный переход и первую обмотку 6, ток is, протекающий через диод 9, ограничитель 11 и третью обмотку 8, и ток эмиттера э.

В зависимости от соотношения витков в обмотках 6 и 8 возможны три случая. В первом случае, когда число витков обмотки 8 We больше числа витков обмотки 6We, ток базы силового транзистора меняет знак (см. интервал ti-t2 на фиг.2). При этом , а э 0 (см. диаграммы а на фиг.26, в). На этом же этапе возрастают все напряжения на всех обмотках трансформатора тока, поскольку протекание базового тока возможно только в том случае, если напряжение на третьей обмотке 8 будет превышать напряжение ограничения ограничителя 11 (см. фиг.2,е, где показано напряжение на конце обмотки 8 по отношению к ее началу).

По окончании рассасывания неосновных носителей в момент времени ta начинается процесс восстановления сопротивления коллекторного перехода, который заканчивается в момент времени гз. На этом этапе происходит спад всех токов до нуля, нарастание коллекторного напряжения UK и реверс напряжения на обмотках трансформатора тока. При этом диод 10 защищает транзистор 3 от инверсного включения, а диод 9 - переход база-эмиттер транзистора 4 от подачи открывающего напряжения после момента времени t2. Энергия, накопленная в магнитной системе трансформатора тока, может быть демпфирована любым известным способом, поэтому элементы демпфера, который может быть подключен к любой обмотке, не показаны.

В данном режиме ток эмиттера на этапе выключения может быть значительно мень0 ше тока коллектора, что достигается соответствующим выбором соотношения витков первой и третьей обмоток. Уменьшение тока эмиттера способствует расширению области безопасной работы ключа и повышению

5 его надежности. При этом автоматически увеличивается рассасывающий ток через коллекторный переход, что способствует ускорению процесса рассасывания и повышению быстродействия ключа.

0 Второй случай We We. Это означает, что на этапе ti-ts, IK ie, а э 0. Последнее условие соответствует границе режима эмиттерной коммутации и в общем случае может быть выражено в виде .

5При эмиттерной коммутации область

максимальных режимов расширяется, а возможность возникновения вторичного пробоя исключается. Это позволяет еще больше расширить область применения и

0 надежность таких ключей.

В этом случае рассасывание избыточных носителей происходит током коллектора, что способствует дальнейшему повышению быстродействия ключей за счет

5 сокращения времени рассасывания. На фиг.2 этот случай представлен диаграммами б.

Третий случай . Это означает, что б к, а э 0.

0 При этом ток эмиттера меняет знак и протекает в направлении, указанном на фиг.1 пунктирной стрелкой. В этом режиме происходит смещение эмиттерного перехода в обратном направлении вплоть до про5 боя, что создает путь для протекания изменившего направления эмиттерного тока. При этом происходит нарастание отрицательного потенциала на базе транзистора 4 по отношению к эмиттеру. Это определяет

0 необходимость элемента 2, разомкнутое состояние которого на данном этапе предотвращает несанкционированное включение транзистора 3.

Существенное превышение витков об5 мотки 6 по сравнению с обмоткой 8 нецелесообразно, поскольку усиление неравенства ведет к росту тока эмиттера в обратном направлении и увеличению потерь на этом этапе в эмиттерном переходе. В этом случае, как и в предыдущем, обеспечивается достижение поставленной цели за счет обеспечения режима эмиттерной коммутации.

Включение первой обмотки 6 последо- вательно с цепью нагрузки и силовыми выводами транзистора 4 возможно как со стороны эмиттера, так и со стороны коллектора (пунктир на фиг.1), поскольку в обоих вариантах через нее протекает ток коллек- тора. Бывает целесообразным подключение эмиттера к общей точке схемы, чти делает предпочтительным включение обмотки б со стороны коллектора, но налагает более жесткие требования к изоляции между обмот- ками 6 и обмотками 7 и 8.

С другой стороны, при выполнении условия , которое является граничным и частным случаем обеспечения условия э 0, включение обмотки б со стороны эмитте- ра позволяет упростить устройство.

Как видно из фиг. 1, начала обмоток 6 и 8 соединены между собой. Если , то концы этих обмоток являются эквипотенциальными и, следовательно, могут быть сое- динены. В этом случае обмотки 6 и 8, содержащие одинаковое число витков и соединенные параллельно, вырождаются в одну обмотку (см. фиг.З).

Ограничитель напряжения может быть выполнен различными способами, например, в виде цепочки последовательно включенных диодов, в виде стабилитрона либо любым другим известным способом.

Включение резистора 14 параллельно переходу эмиттер-база обеспечивает закрытое состояние транзистора 3 в отсутствие тока управления.

Ключевой элемент 2 может быть также выполнен различными способами, напри- мер, на основе транзистора, или другим из- вестным способом, позволяющим предотвратить протекание базового тока транзистора 3 на этапе рассасывания избыточных зарядов транзистора 4.

Традиционным способом обеспечения режима эмиттерной коммутации является включение в эмиттерную цепь высоковольтного силового транзистора другого низковольтного транзистора. Выключение такого ключа обеспечивается выключением дополнительного транзистора, чем и обеспечивается условие э 0. Режим эмиттерной коммутации достигается б,ез введения дополнительного силового транзистора, что позволяет избежать связанных с этим статистических потерь во включенном состоянии, поскольку падение напряжения на обмотке 6 при открытом состоянии ключа может быть весьма незначительным.

Формула изобретения

т

р/2 Л

5 Л

1 ю (rtf нОФигЗ

#

9/2

MB

6(8)