Транзисторный ключ Советский патент 1992 года по МПК H03K17/687 

Изобретение относится к импульсной технике, а именно к устройствам коммутации сильноточных электрических сигналов, и может быть использовано в устройствах электропривода и преобразователях энергии постоянного напряжения.

Известны транзисторные ключи с применением полевого демпфирующего транзистора, включенного параллельно силовому биполярному, где управление биполярным транзистором осуществляется через последовательно включенные в его базовую цепь стабилитрон и диоды 1. Задержка выключения полевого транзистора относительно силового обеспечивается тем, что базовый ток биполярного транзистора прекращается раньше, чем напряжение на входе полевого транзистора достигнет порогового уровня, когда он начнет запираться. Для реализации этого свойства схемы требуется иметь определенную длительность спада напряжения импульсов управления при выключении транзисторного

ключа, которая, в конечном итоге, и определяет задержку на выключение полевого транзистора. Это является недостатком транзисторного ключа, так как приводит к нестабильной работе в условиях воздействия эксплуатационных факторов - изменения температуры окружающей среды, напряжения питания схемы управления, а также при разбросе параметров элементов схемы. Кроме того, быстродействие ключа невысоко, так как принятие мер по форсированному рассасыванию заряда из полупроводниковой структуры насыщенного биполярного транзистора затруднительно из-за влияния на время задержки выключения полевого транзистора параметров импульсов управления.

Лучшими характеристиками обладает транзисторный ключ, в котором время задержки выключения полевого транзистора в значительно меньшей степени зависит от параметров сигналов управления и от характеристик элементов 2. Это устройство

О

о о

hC

ю

является наиболее близким по технической сущности и схемной реализации к предлагаемому ключу. Задержка управляющего сигнала на выключение полевого транзистора здесь выполняется цепью, состоящей из индуктивности и конденсатора. Недостатком этого транзисторного ключа является то, что при изменении характеристик силового биполярного транзистора, в частности времени рассасывания зарядов из его полупроводниковой структуры в насыщенном состоянии, задержка на выключение полевого транзистора не изменяется. Это приводит к ненадежной работе силового биполярного транзистора и к ограничению на быстродействие транзисторного ключа, так как в этих условиях приходится реализовывать задержку с достаточно большим запасом по времени. Кроме того, использование индуктивного элемента препятствует микроминиатюризации транзисторного ключа и исполнению его в виде монолитной или гибридной ИС.

Целью изобретения является повышение быстродействия транзисторного ключа и надежности работы,

На фиг. 1, 2 и 3 приведены схемы транзисторного ключа, соответствующие пунктам 1, 2 и 3 формулы изобретения.

Транзисторный ключ по схеме фиг. 1 содержит силовой биполярный транзистор 1, коллектор которого через нагрузку 2 подключен к положительной шине источчич.э питания Еп, з эмиттер - к его отрицательной шине (общему полюсу). Параллельно коллектору и эмиттеру транзистора 1 включены сток и исток демпфирующего полевого транзистора 3 соответственно. Источник импульсов управления Uy соединен через первый резистор 4 с базой транзистора 1, а через диод 5 и второй резистор 6 с затвором полевого транзистора 3 и с коллектором шунтирующего биполярного транзистора 7, эмиттер которого подключен к источнику транзистора 3. Замедляющий конденсатор 8, подключенный параллельно затвору и истоку транзистора 3, в общем случае может отсутствовать, его функцию может выполнять входная емкость полевого транзистора 3. База транзистора 7 через ограничивающий резистор 9 соединена с коллектором силового транзистора 1 и через базовый резистор 10 - с его эмиттером.

Схема транзисторного ключа по фиг. 2 содержит следующие элементы (кроме описанных). Между коллектором силового транзистора 1 и ограничивающим резистором 9 включен третий резистор 11, а к точке соединения этих резисторов подключен катод

стабилитрона 12, анод которого соединен с эмиттером транзистора 7.

Схема транзисторного ключа по фиг. 3 кроме описанных содержит следующие элементы. База и эмиттер шунтирующего транзистора 7 подключены соответственно к коллектору и эмиттеру управляющего биполярного транзистора 13, база которого соединена со средней точкой делителя

0 напряжения, состоящего из последовательно соединенных пятого и шестого резисторов 14 и 15, а крайние выводы делителя подключены к катсцу диода 5 и к истоку полевого транзистора 3.

5 Транзисторный ключ по схеме фиг. 1 работает следующим образом.

На вход схемы подаются разнополяр- ные импульсы управления Uy. Положительный имгульс соответствует открытому

0 состоянию ключа, а отрицательный - закрытому.

При подаче положительного импульса Uy появляется открывающий базовый ток силового транзистора 1, ограничиваемый

5 резисторов 4 Одновременно с этим через диод 5 и зе истор 6 на затвор полезсго транзистора 3 поступает положительное на- . Оба транзистора - и 3 открываются и в нафузкг 2 начинает поступать ток.

0Ранее, когда транзистор 1 иь.л запет,

„уь иоуь . Трс:г1зисгор а 1л открыт базо- 3JM током протекающим через рэзистср 9. Когда транзистор 1 откоы атся, то транзи- стоо 7 запирается, так как падение нагфлже5 ния на силовых биполярных транзисторах в открытом состоянии (на переходе коллектор-эмиттер) обычно мало и недостаточно для поддержания транзистора 7 в открытом состоянии. Таким образом, когда транзисто0 ры 1 и 3 открыты,транзистор 7 заперт.

По окончании действия положительного импульса Uv при поступлении отрицательного импульса напряжения начинается этап рассасывания зарядов из полупроводнико5 вой структуры насыщенного силового биполярного транзистора 1. Рассасывающий ток его базы определяется резистором 4. Демпфирующий транзистор 3 в это время все еще открыт, так как, несмотря на отсутствие

0 положительного напряжения на аноде диода 5, напряжение на затворе транзистора 3 остается примерно на том же уровне за счет заряда, накопленного на конденсаторе 8. В общем случае функции этого конденсатора

5 может выполнять входная емкость затвор- исток полевого транзистора 3. По окончании процессов рассасывания насыщенного транзистора 1 начинается процесс его запирания. Напряжение на его коллекторе увеличивается. Верхний предел увеличения

напряжения ограничивается падением напряжения на открытом транзисторе 3 (напряжение сток-исток). Современные силовые высоковольтные полевые транзисторы обладают существенным падением напряжения в открытом состоянии. Обычно это напряжение лежит в пределах 3-5 В или превышаетэтизначения. Когда напряжение на коллекторе транзистора 1 достигнет этой величины, включается транзистор 7, чем шунтируется вход транзистора 3 и форсированно разряжается конденсатор 8. После снижения напряжения на этом конденсаторе до значения порогового напряжения вы- ключения транзистора 3 последний выключается. Для надежного согласования уровня напряжения на закрытом транзисторе 1 и открытом транзисторе 3 требуется соответствующий выбор величин резисторов 9 и 10. После запирания транзистора 3 схема приходит в исходное состояние. Далее процессы повторяются аналогично.

Таким образом, в рассматриваемом транзисторном ключе формирование процесса запирания демпфирующего полевого транзистора 3 происходит только по окончании процессов рассасывания зарядов из полупроводниковой структуры насыщенного биполярного силового транзистора 1. т.е. после начала его фактического запирания.

Транзисторный ключ по схеме фиг. 2 отличается тем, что в базовую цепь шунтирующего транзистора 7 введен нелинейный ограничивающий элемент-стабилитрон 12, который препятствует чрезмерному увеличению тока базы шунтирующего транзистора 7 после запирания полевого транзистора 3, когда напряжение на нем и на коллекторе транзистора 1 увеличивается до нескольких сотен вольт. При этом ограничение тока через стабилитрон 12 выполняется резистором 11. Когда напряжение на коллекторе транзистора 1 мало и не превышает напряжения включения стабилитрона 12, то эта цепь не влияет на работу транзистора 7. Таким образом, уменьшается диапазон изменения базового тока транзистора 7, чем повышается надежность его работы.

Транзисторный ключ по схеме фиг. 3 отличается тем, что к моменту включения полевого транзистора 3 положительным импульсом сигнала управления Uy шунтирующий транзистор 7 запирается. В это время включается управляющий транзистор 13, препятствующий появлению базового тока транзистора 7. Этим как уменьшается мощность, потребляемая на открывание полевого транзистора 3, так и повышается надежность работы транзистора 7, так как с

приходом положительного импульса Uy транзистор 7 оказывается запертым.

Следовательно, как показывает рассмотрение работы приведенных схем, введение шунтирующего транзистора 7, управляемого от напряжения на коллектор- но-эмиттерном переходе транзистора 1, дает возможность реализовать задержку выключения полевого транзистора 3, кото0 рая реально отслеживает состояние силового транзистора 1 и изменяется при изменении времени рассасывания последнего. Этим как повышается надежность работы ключа, так и увеличивается его

5 быстродействие. Введение стабилитрона 12 позволяет снизить диапазон изменения базового тока транзистора 7, чем повышается надежность его работы. Введение управляющего транзистора 13 дает возможность ос0 лабить шунтирующее действие транзистора 7 во время этапа открывания полевого транзистор ра 3, чем повышается эффективность работы транзисторного ключа.

Формула изобретения

51. Транзисторный ключ, содержащий

силовой биполярный транзистор,коллектор которого подключен к первому выводу нагрузки и к стоку полевого демпфирующего транзистора, исток которого соединен с

0 эмиттером силового транзистора и с отрицательной шиной источника питания, положительная шина которого подключена к второму выводу нагрузки, а база силового транзистора через первый резистор соеди5 нена с источником импульсов управления, причем параллельно затвору и истоку демпфирующего транзистора подключен замедляющий конденсатор, отличающий- с я тем, что, с целью повышения быстродей0 ствия, введены шунтирующий биполярный транзистор, три резистора и диод, коллектор и эмиттер шунтирующего транзистора подключены к затвору и истоку демпфирующего транзистора соответственно, затвор

5 последнего через второй резистор соединен с катодом диода, анод которого подключен к источнику импульсов управления, а база шунтирующего транзистора-через ограничивающий резистор соединена с кол0 лектором силового транзистора и через базовый резистор - с эмиттером шунтирующего транзистора.

2. Ключ по п. 1,отличающийся тем, что, с целью повышения надежности в рабо5 те, введены стабилитрон и четвертый резистор, анод которого подключен к эмиттеру шунтирующего транзистора, а катод - к точке соединения ограничивающего резистора и четвертого резистора, другие выводы которых подключены к базе шунтирующего и

коллектору силового транзисторов соответственно.

3. Ключ поп. 1, отличаю щи йсятем, что, с целью повышения надежности в работе, введены усилитель напряжения и управляющий биполярный транзистор, коллектор и эмиттер которого соединены с базой и

эмиттером шунтирующего транзистора соответственно, а база - со средней точкой делителя напряжения, состоящего из последовательно соединенных пятого и шестого резисторов, крайние выводы которого подключены к катоду диода и истоку демпфирующего транзистора соответственно.

Изобретение относится к импульсной технике, а именно к устройствам коммутации сильноточных электрических сигналов, и может быть использовано в устройствах электропривода и преобразователях энергии постоянного напряжения. Сущность изобретения - устройство содержит биполярные транзисторы 1, 7, полевой транзистор 3, диод 5, резисторы 4, 6, 9, 10, конденсатор 8, нагрузку 2. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

2У

/ 2S# k

//

о

п

1J

Кн

8

Фиг. Z

ГЈ/7

IIS

D

1Q

В

Фиг.З