Электронный транзисторный ключ Советский патент 1992 года по МПК H03K17/60 

. /

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано при построении ключевых преобразователей напряжения.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является электронный транзисторный ключ, содержащий блок управления с трансформаторным выходом, ключевой транзистор, токозадающий резистор, первый диод, фиксирующий диод, об- ратный диод, накопительный дроссель-трансформатор и два резистора, причем анод обратного диода подключен к базе ключевого транзистора, первый вывод токозадающего резистора соединен с первым выходом блока управлений, s второй вывод - с анодом фиксирующего диода, коллектор ключевого транзистора черёд нагрузку соединен с первой шиной питания, а эмиттер - с второй шиной питания и вторым выходом блока управления, первичная об- мотка накопительного дросселя-трансформатора включена между катодом фиксирующего диода и коллектором ключевого транзистора, а его вторичная обмотка подключена к база-эмиттерному переходу ключевого транзистора через последовательно соединенные первый диод и первый резистор, второй резистор включен между анодом фиксирующего диода и базой ключевого транзистора, катод обратного диода соединен с первым выходом блока управления.

Одним из недостатков указанного ует- ройств а является невысокие удельные массо-габаритные показатели вследствие использования большого числа элементов, а также наличие дросселя-трансформатора, имеющего большие габариты для обеспечения надежной гальванической развязки высоковольтной коллекторной и низковольтной базовой цепей ключевого транзистора, особенно при построении ключевых преобразователей напряжения промышленных сетей (220-380 В). Кроме то- го, описанный электронный транзисторный имеет низкий КПД из-за наличия токо- ограничительных целей запаса энергии а дросселе. Другим недостатком устройства являются невысокие частоты преобразования, особенно при высоком напряжении на шинах питания, ограничиваемые частотными свойствами фиксирующего диода, который имеет наибольшее значение рабочего напряжения из всех элементов схемы, определяемое суммой рабочего напряжения коллектор-эмиттер ключевого транзистора и реакций дросселя-трансформатора при его размагничивании по вторичной цепи в интервалы времени выключенного ключевого

транзистора. Это объясняется тем, что частотные свойства и рабочее напряжение являютсявзаимопротиворечивымипараметрами для полупроводниковых приборов. К тому же на транзисторе блока управления и база-эмиттерном переходе ключевого транзистора возможны перенапряжения из-за отсутствия цепи размагничивания сердечника трансформатора.

0 При выключенном транзисторе блока управления энергия, накопленная в сердечнике трансформатора, может передаваться только по цепи эмиттер-база ключевого транзистора - параллельная цепь из диода и

5 резисторов. При полном рассасывании основных носителей база-эмиттерного перехода ключевого транзистора цепь прерывается. Перенапряжение может быть еще больше, если дроссель к этому моменту

0 полностью не размагнитился, поскольку энергия, накопленная в нем, может рассеяться по цепи диод - резистор - вторичная обмотка трансформатора блока управления - резисторы, или по цепи - диод - на5 грузка - шины питания - вторичная обмотка трансформатора блока управления - резистор, что снижает надежность электронного транзисторного ключа.

Цель изобретения - повышение КПД,

0 надежности и упрощение.

На Фиг. 1 приведена схема электронного транзисторного ключа; на фиг. 2-диаграммы напряжений и токов, поясняющие раббту устройства.

5 Электронный транзисторный клю-1 содержит ключевой транзистор 1, резисторы 2 и 3. диод 4, дроссель 5, блок 6 управления, включающий транзистор 7 и трансформатор 3, первичная обмотка которого включена

0 между первым питающим входом 9 блока б управления и коллектором транзистора 7, а выводы вторичной обмотки подключены к первому и второму выходам блока управления, эмиттер транзистора 7 соединен с вто5 рым питающим входом 10 блока 6 управления, первый ьывод резистора 2 соединен с первым выходом блока управления, первый выгод резистора 3 соединен с вторым выходом блока управления, эмиттером

0 ключевого транзистора 1 и первой шиной 11 питания, коллектор ключевого транзистора 1 через нагрузку 12 соединен с второй шиной 13 питания, анод диода 4 соединен с первым питающим входом 9 блока 6 управ5 ления, а катод через дроссель 5 - с третьим выходом блока б управления, с которым соединен коллектор транзистора 7 блока управления.

На фиг. 2 приняты следующие обозначения: 14 - напряжение на базе транзистора

7; 15-напряжение коллектор-эмиттер транзистора 7; 16-ток через дроссель 5; 17-ток намагничивания сердечника трансформатора 8, приведенный к первичной обмотке; 18 - напряжение на вторичной обмотке трансформатора 8; 19 - ток, протекающий по первичной обмотке трансформатора 8; 20 - ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора 8; Uynp - амплитуда напряжения управляющего сигнала на базе транзистора 7; 1)кэ7макс - максимальное напряжение коллектор-эмиттер транзистора 7; Uecn - напряжение вспомогательного источника, питающего блок 6 управления (выводы 9 и 10); 1др.макс, - максимальные значения тока, протекающего через дроссель 5 и тока намагничивания (тока холостого хода); П21 1/Л12 - коэффициент трансформации, равный отношению чисел в vi ко в вторичной и первичной обмоток трансформатора 8; R2, Нз - активное сопротивление соответственно резисторов 2 и 3.

Сущность изобретения состоит в том, что за счет исключения база-коллекторной связи и формирования выключающего импульса тока ключевого транзистора через первичную обмотку трансформатора блока управления обеспечивается повышение КПД и надежности при общем упрощении схемы электронного транзисторного ключа.

Электронный транзисторный ключ работает следующим образом.

Пусть в исходном состоянии транзисторы 1 и 7 закрыты. В момент времени to (фиг. 2) на базу транзистора 7 блока 6 управления подается отпирающий импульс напряжения. Транзистор 7 открывается и к первичной обмотке трансформатора 8 блока 6 управления прикладывается напряжение, равное напряжению вспомогательного источника Uecn. При этом на вторичной обмотке наводится ЭДС и через база-эмиттерный переход ключевого транзистора 1 протекает прямой ток, в основном определяемый сопротивлением резистора 2.

Транзистор 1 переходит в состояние высокой проводимости (открытое состояние). В интервал времени включенного транзистора 7 to - ti происходит накопление энергии в дросселе 5 за счет тока, протекающего по цепи диод 4 - дроссель 5 - транзистор 7. К моменту времени ц ток в дросселе и ток намагничивания сердечника трансформатора достигает максимальных значений соответственно др.макс И и.макс.

В момент времени ti транзистор 7 закрывается и ток намагничивания трансформатора 8lju начинает протекать по цепи: второй выход блока 6 управления - параллельная цепь, образованная резистором 3 и

база-эмиттерным переходом ключевого транзистора 1 - резистор 2 - первый выход блока 6 управления. Кроме, того, ток. накопленный в дросселе 5}др за время включенного транзистора 7, начинает протекать по цепи диод 4 - дроссель 5 - первичная обмотка трансформатора 8, наводя при этом ток во вторичной обмотке трансформатора 8, который протекает по той же цепи и в том

же направлении, что и ij . Под действием этих токов формируется обратное напряжение необходимой величины для форсированного выключения ключевого транзистора.

В момент времени tz ток дросселя 51др и ток намагничивания |уи трансформатора 8 спадает до нуля, т.«. сердечники трансформатора и дросселя полностью размагничиваются.

С момента времени Т процессы повторяются аналогично описанным.

В предлагаемом транзисторном ключе цепи передачи энергии для включения ключевого транзистора и накопления энергии

для его форсированного выключения разделены. Это позволяет сформировать управляющий сигнал ключевого транзистора с высокой крутизной нарастания за счет использования энергии, передаваемой трансформатором 8 только для включения ключевого транзистора 1. Кроме того, процесс накопления энергии в дросселе 5 не оказывает влияния на включающий сигнал. Величина выключающего тока подбирается

значением индуктивности дросселя 5.

В предлагаемом ключе повышен КПД за счет исключения токоограничивающего резистора в цепях накопления энергии в дросселе и передачи энергии для включения

ключевого транзистора 1. Кроме того, за счет шунтирования база-эмиттерного перехода ключевого транзистора 1 резистором 3 исключены перенапряжения на указанном переходе и на переходе коллектор-эмиттер

транзистора 7 блока 6 управления.

Организация цепи накопления энергии в дросселеб от вспомогательного источника позволила упростить схему, т.е. сократить количество необходимых элементов, умекьшить обратное напряжение на последовательно включенном с дросселем 5 диоде 4 до величины, близкой нулю, выполнить дроссель однообмоточным.

Формула изобретения

Электронный транзисторный ключ, содержащий ключевой транзистор, первый и второй резисторы, дроссель, диод, блок управления, включающий транзистор и трансформатор, первичная обмотка которого

включена между первым питающим входом блока управления и коллектором транзистора, вторичная обмотка включена между первым и вторым выходами блока управления, эмиттер транзистора соединен с вторым питающим входом блока управления, причем первый вывод первого резистора соединен с первым выходом блока управления, первый вывод второго резистора соединен с вторым выходом блока управления, с первой шиной питания и эмиттером ключевого транзистора, коллектор которого через на0

грузку соединен с второй шиной питания, катод диода соединен с первым выводом дросселя, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, надежности и упрощения, блок управления снабжен третьим выходом, который подключен к коллектору транзистора блока управления и второму выводу дросселя, анод диода подключен к первому питающему входу блока управления, а вторые выводы первого и второго резисторов соединены с базой ключевого транзистора.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано при построении ключевых преобразователей напряжения. Устройство содержит ключевой транзистор 1. резисторы 2, 3, дроссель 5, диод 4. нагрузку 12, блок 6 управления, который выполнен на транзисторе 7 и транс форматоре 8. 2 ил.