Транзисторный ключ Советский патент 1993 года по МПК H03K17/687 

//

VJ

xj 00 О Os СЛ СО

Изобретение относится к импульсной технике, а именно к устройствам коммутации силовых электрических сигналов и может быть использовано в устройствах преобразовательной техники или формирователях сверхкоротких импульсов, например в лазерной технике.

За последнее время находят широкое применение силовые ключи на МДП-тран- зисторах, позволяющие существенно повысить быстродействие функциональных электронных узлов и надежность работы при коммутаций больших токов и напряжений, В таких ключах нагрузка включается в цепь стока. В силу специфических положительных свойств МДП-транзистора такие ключи, по сравнению с ключами на биполярных транзисторах, дают возможность коммутировать значительно большие электрические мощности за счет расширения области безопасной работы транзистора.

Для защиты входа МДП-транзистора от напряжения обратной полярности параллельно затвору и истоку устанавливают защитный стабилитрон. Этот полевой транзисторный ключ является наиболее близким,.как по технической сущности, так и по схемотехнике, к предлагаемому.

Недостатком этого ключа является его невысокое быстродействие, так как в момент открывания при формировании спада напряжения сток-исток (фронта нарастания тока стока) существенное влияние на длительность спада напряжения оказывает емкость сток-затвор МДП-транзистора. Это обусловлено тем, что, когда МДП-транзи- стор входит в линейный режим работы, емкость сток-затвор совместно с транзистором является интегратором Миллера, в значительной степени снижая коэффициент усиления транзисторного ключа. Эффект Миллера не дает возможности получить достаточно малую длительность спада напряжения сток-исток или фронта тока стока.

Цель изобретения - устранение этого недостатка, а именно - увеличение быстродействия полевого транзисторного ключа при включении МДП-транзистора.

Указанная цель достигается тем, что в известный полевой транзисторный ключ введен трансформатор тока, первичная обмотка которого включена последовательно в цепь стока и нагрузки, а вторичная обмотка через диод подключена ко входу МДП- транзистора. Этим обеспечивается увеличение напряжения затвор-исток в момент формирования фронта тока стока и компенсируется его снижение за счет действия эффекта Миллера от емкости сток-затвор.

Кроме того, введение трансформатора тока дает возможность в некоторой степени

повысить быстродействие и при выключении МДП-транзистора, что реализуется вве- дением резистора, подключенного параллельно диоду вторичной обмотки трансформатора тока. При этом за счет раз0 ряда индуктивности намагничивания трансформатора тока формируется импульс отрицательной полярности вторичной обмотки, который подается в цепь затвора МДП-транзистора и в большей степени сни5 жает напряжение затвор-исток при выключении транзистора.

Сопоставительный анализ предлагаемого технического решения со схемой-про- тотипом показывает, что заявляемое

0 техническое решение отличается от известного введением трансформатора тока и диода и их связей с элементами транзисторного ключа. По дополнительному пункту формулы изобретения отличие со5 стоит во введении резистора, подключенного параллельно диоду. .

Сравнение заявляемого технического решения с известными показывает, что применение трансформатора тока при управле0 нии МДП-транзисторами ранее не применялось и нам не известно.

На чертеже приведена схема полевого транзисторного ключа.

Ключ содержит МДП-транзистор 1 в сто5 ковую цепь которого через первичную обмотку 2 трансформатора тока 3 включена нагрузка 4 и положительный полюс 5 входного напряжения, К истоку транзистора 1 подключены отрицательный полюс 6 вход0 ного напряжения, анод стабилитрона 7 и конец вторичной обмотки 8 трансформатора тока 3, начало которой через диод 9 соединено с затвором транзистора 1, с катодом стабилитрона 7 и с источником управляю5 щих импульсов 10. Параллельно диоду 9 подключен, резистор 11.

Полевой транзисторный ключ работает следующим образом. В момент поступления положительного открывающего импуль0 са по шине 10 начинает заряжаться входная (затвор-исток) МДП-транзистора 1, Транзистор 1 при этом заперт. Когда напряжение затвор-исток достигнет порогового значения транзистор 1 начнет отпираться, поя5 вится его ток стока.

При отсутствии трансформатора тока 3 скорость включения транзистора 1 будет определяться, в основном, замедляющим действием эффекта Миллера. При наличии трансформатора тока 3 появление тока стока, то есть выход транзистора 1 из режима отсечки и вхождение его в активный режим, приводит к появлению тока во вторичной обмотке 8. Это обусловливает появление импульса положительного напряжения на затворе транзистора 1, амплитуда которого определяется внутренним сопротивлением источника 10 управляющих импульсов и емкость затвор-исток МДП-транзистора 1.

При прочих равных условиях появление увеличенного напряжения на затворе МДП- транзистора 1 приводит к уменьшению его времени переключения, так как это эквивалентно увеличению скорости заряда входной емкости. Этр тем более справедливо, что амплитуда импульса увеличенного напряжения на затворе МДП-транзистора бу- .дет прямо пропорционально зависеть от скорости его переключения.

Для защиты затвора транзистора 1 от чрезмерного увеличения входного напряжения служит стабилитрон 7, ограничивающий максимум напряжения до нормированного максимального уровня, задаваемого техническими условиями на МДП-транзистор.

Таким образом, в предлагаемой схеме достигается форсирование входного напряжения затвор-исток МДП-транзистора в момент его переключения (включения), что .приводит к более быстрому заряду его вход- ной емкости и, как следствие, к увеличению коэффициента усиления в активном режиме, что и определяет уменьшение длительности включения полевого транзисторного ключа.,

При включении полевого транзисторного ключа, когда входной 10 импульс положительной полярности заканчивается, напряжение на затворе снижается до порогового значения, МДП-транзистор начинает запираться. Ток его стока начинает уменьшаться. Это приводит к появлению тока отрицательной полярности на вторичной обмотке 8 трансформатора тока 3, который при запертом диоде 9 начинает протекать через резистор 11. На этом этапе времени отрицательное напряжение на затворе транзистора 1, приходящее со вторичной обмотки 8, способствует более быстрому его запиранию. Этим в определенной стеле- ни также компенсируется негативное влияние емкости сток-затвор транзистора 1, так как отрицательное напряжение уменьшает имеющееся на затворе положительное напряжение, которое появляется от заряда емкости сток-затвор. Величина сопротивления резистора 11 определяет значение отрицательного тока, а значит, и степень уменьшения форсированного напряжения на затворе транзистора 1 при выключении. Одновременно с этим, меньшее значение сопротивленияопределяетсйшунтированием полезного открывающего сигнала по шине 10.

Таким образом, в предлагаемой схеме сокращается длительность переключения МДП-транзистора при выключении транзи сторного ключа.

Для нормального функционирования предлагаемой схемы трансформатор тока 3 должен работать в режиме дифференциро вания, когда токи на его вторичной обмотке 8 имеют место только на протяжении времени изменения тока первичной обмотки 2, то есть во время нахождения транзистора 1 в активном режиме.

Следовательно, применение предлагаемой схемы дает возможность повысить бы стродействие полевого транзисторного ключа, а значит, расширить области его при-. менения в современных высокоэффективных устройствах автоматики и электроники.

Формула изобретения 1. Транзисторный ключ, содержащий МДП-транзистор, исток которого соединен с общей шиной и анодом стабилитрона, катод которого подключен к затвору МДЯ- транзистора, и нагрузку, которая соединен одним выводом с шиной питания, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, введен трансформатор тока, начало и.конец первичной обмотки которого соединены с другим выводом нагрузки и со штоком МДП-транзистора, соответственно, начало вторичной обмотки через пря- мовключенный диод подключено к затвору МДП-транзистора, а конец - к его истоку.

2. Ключпо п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введен резистор, который подключен параллельно диоду.

Транзисторный ключ может быть использован для коммутации силовых электрических сигналов, когда требуется малая длительность фронтов и спадов тока или напряжения. Транзисторный ключ содержит 1 МДП-транзистор 1. в стоковую цепь которого включена 1 нагрузка 4 и 1 первичная обмотка 2 дифференцирующего трансформатора тока 3, 1 стабилитрон 7, 1 диод 9,1 резистор 11. При открывании транзистора 1 после появления его тока стока ток 1 вторичной обмотки 8 трансформатора 3. .обеспечивает форсирование напряжения на входе транзистора 1. Эти компенсируется снижение входного напряжения затввр- исток и в определенной степени нейтрализуется негативное влияние емкости сток-затвор (эффекта Миллера) в процессе формирования спада напряжения сток-исток МДП-транзистора . При запирании МДП-транзистора 1 напряжение отрицательной полярности, возникающее на вторичной обмотке 8 трансформатора тока 3 при спаде импульса тока стока, форсирует уменьшение напряжение затвор-исток, чем также уменьшается длительность переключения транзистора 1.1 з.п. ф-лы, 1 ил. /