Силовой транзисторный ключ Советский патент 1993 года по МПК H03K17/60 

Фйг.1

Изобретение относится к электротехнике, в частности к источникам вторичного электропитания и может быть использовано для питания аппаратуры устройств связи, автоматики и вычислительной техники.

Целью изобретения является повышение КПД и увеличение надежности транзисторного ключа.

На фиг, 1 приведена схема предлагаемого технического устройства; на фиг.2 - эпюры токов и напряжений, которые поясняют- работу предлагаемого транзисторного ключа.

Как правило, в транзисторных преобразователях нагрузка транзисторных ключей носит активно-индуктивный характер. В этих условиях формирование желаемой траектории включения силового транзистора не вызывает трудностей, так как ток коллектора нарастает плавно, а напряжение на коллекторе почти скачком спадает до нуля. При включении происходит.минимальное перекрытие нарастающего через коллектор тока и спадающего на коллекторе напряжения, что способствует минимальным динамическим потерям и не приводит к локальному перегреву силового транзистора. Кроме того высокой надежности работы транзисторных ключей при включении способствует их повышенная устойчивость к перегрузкам при положительно смещенном эмиттерном переходе.

Наиболее опасным для транзистора является режим выключения индуктивной нагрузки, при котором возникают значительные динамические потери, а траектория переключения принимает наиболее нежелательный вид, что создает предпосылки для вторичного пробоя.

Предлагаемое схемное решение позволяет значительно снизить динамические потери при. выключении силового транзистора, за счет формирования траек-: тории переключения транзистора, при которой он находится в области безопасной работы.

Силовой транзисторный ключ содержит два высоковольтных транзистора 1, 2, два управляющих транзистора 3, 4, двухполяр- ный источник питания 5,6, резистор 7, ограничивающий резистор 8 и диод 9. Коллектор дополнительного транзистора 1 соединен с коллектором силового транзистора 2, эмиттер дополнительного транзистора 1 соединен с коллектором верхнего транзистора управления 3. база дополнительного транзистора 1 соединена с ограничивающим ре- зистором 8 и анодом диода 9, второй вывод ограничивающего резистора 8 соединен с катодом диода 9 и попадает на плюс отпирающего источника напряжения 5. Эмиттер силового транзистора 2 попадает на среднюю точку источников 10, отпирающего 5 и запирающего напряжений 8, база силового

транзистора 2 соединена с эмиттерами управляющих транзисторов 3, 4, коллектор нижнего управляющего транзистора 4 соединен с минусом запирающего источника 6. базы управляющих транзисторов 3, 4, сое0 динены с резистором 7, второй вывод которого подключен к входной клемме 11.

На фиг.2 приведены эпюры, поясняющие работу силового транзисторного ключа. Схема работает следующим образом.

5 при подаче положительного сигнала управления на входную клемму 11 положительный потенциал через резистор 7 попадает на базы комплиментарной пары управляющих транзисторов 3,4. Верхний транзистор

0 управления 3 отпирается и замыкает цепь, которая отпирает силовой транзистор 2. Ток отпирания протекает от плюса отпирающего источника 5 через ограничивающий резистор 8, эмиттерный переход допрлни5 тельного транзистора 1, цепь коллектор эмиттер управляющего транзистора 3, эмиттерный переход силового транзистора 2 и замыкается на среднюю точку источников питания 10. Дополнительный транзистор 1

0 представляет собой нелинейную отрицательную обратную связь, которая обеспечивает автоматическое изменение величины базового тока силового транзистора 2 в зависимости от тока нагрузки, то есть вынуж5 дает силовой транзистор 2 работать в ненасыщенном режиме. При увеличении тока нагрузки .к коллекторному переходу дополнительного транзистора 1 прикладывается запирающее напряжение и весь ток

0 базы, а если его недостаточно, то и ток коллектора дополнительного транзистора 1 из силовой цепи поступает в базовую цепь силового транзистора не позволяя ему выйти в активную область.

5 Очевидным преимуществом предлагаемого схемного решения на этапе, когда силовой транзистор отперт, является то, что дополнительный транзистор 1 представляет собой первый каскад усиления составного

0 транзистора. Следовательно, максимальный ток управления необходимый для поддержания силового транзистора 2 в отпертом состоянии при максимальном токе нагрузки существенно меньше тока на5 грузки, что значительно снижает мощность потерь в цепях управления, а следовательно повышает КПД устройства в целом.

При подаче отрицательного сигнала управления на входную клемму 11, отрицательный потенциал через резистор 7

поступает на базы комплиментарной пары управляющих транзисторов 3, 4, запирая верхний транзистор 3 и отпирая нижний транзистор А. При этом к эмиттерному переходу силового транзистора 2 прикладывается запирающее напряжение. Ток рассасывания силового транзистора 2 протекает по цепи минус запирающего источника напряжения 6, цепь коллектор-эмиттер транзистора управления и, база силового транзистора 2 и попадает на среднюю точку источников питания 10. После подачи запирающего напряжения происходит процесс рассасывания заряда в области базы, при котором потенциал коллектора продолжает оставаться низким. Так как отпирающий транзистор управления 3 заперт цепь эмиттера дополнительного транзистора 1 оборвана, ток отпирающего источника протекает через резистор 8 и коллекторный переход дополнительного транзистора 1. На этапе рассасывания силового транзистора 2, коллекторный переход дополнительного транзистора 1 выполняет функцию диода накапливающего заряд непосредственно перед выключением силового транзистора 2. После окончания процесса рассасывания силового транзистора 2 напряжение на его коллекторе нарастает, а ток нагрузки замыкается по цепи коллекторный переход дополнительного транзистора 1, диод 9, отпирающий источник напряжения 5, Таким образом формируется безопасная траектория выключения силового транзистора 2, так как напряжение на коллекторе нараста ет при отсутствии тока нагрузки через коллектор. Отсутствие перекрытия между нарастающим на коллекторе напряжением и спадающим до нуля током нагрузки приводит к значительному снижению динамических потерь.

В предлагаемом схемном решении при использовании в качестве силового 2 и дополнительного 1 транзисторов типа КТ847А, и питании двухполярным источником величиной 7В, оптимальная величина тока управления при токе нагрузки 12А равна }20мА. При таком токе управления величина накопленного избыточного заряда в коллекторном переходе дополнительного транзистора 1 достаточна чтобы пропустить ток нагрузки силового транзистора 2, пока силовой транзистор полностью не выключится и затем за время около 50нс выключит силовой ключ. В качестве управляющих транзисторов 3, 4 в предлагаемом схемном решении используется;комплиментарная пара составных транзисторов КТ972А, КТ973А, с большим коэффициентом усиления по току, что позволяет управлять ими

малым током микросхемы порядка 5мА. В схемном решении коллекторы силового 2 и дополнительного 1 транзисторов объединены, что позволяет конструктивно размещать

5 два транзистора КТ847А на одном радиаторе.

Таким образом введение дополнительного транзистора 1, ограничивающего резистора 8 и использование новых связей

0 позволяет использовать преимущества составного ключа, который обладает значительным коэффициентом усиления по току и тем самым существенно снизить ток управления при значительной коммутируемой

5 выходной мощности. В тоже время предлагаемое решение позволяет избежать таких недостатков составного ключа, как медленное запирание силового транзистора 2 и отсутствие формирования безопасной тра0 ектории при его выключении.

Эксперименты подтвердили, что при использовании других высоковольтных пар транзисторов в предлагаемом схемном решении удается сформировать безопасную

5 траекторию выключения силового ключа. Так при использовании пары на транзисторах КТ838А и KTJ339A траектория выключения формируется при токе нагрузки 1 А. а на транзисторной nape KT828A траектория &ы0 ключения формировалась при токе нагрузки

4АПредложенное техническое решение предлагается использовать в мощных устройствах электропитания, создаваемых в

5 Институте для ряда заинтересованных предприятий. Экономическая эффективность предложенного решения в настоящее время не исчислялась. Технический эффект состоит в повышении КПД и надежности

0 устройства, что позволило создать на суще- итвующей элементной базе (транзисторы 2Т847А) силовые высокочастотные транзисторные ключи с рабочим током до 12 А.

45

Формула изобретения

Силовой транзисторный ключ, содержащий силовой транзистор, два управляющих транзистора, источники отпирающего и залирающего напряжения, резистор, диод, база силового транзистора соединена с эмиттерами управляющих транзисторов, эмиттер силового транзистора - со средней точкой источников отпирающего и запирающего напряжений, а базы управляющих транзисторов соединены с одним из выводов резистора, второй вывод которого подключен к входной клемме, коллектор одного из управляющих транзисторов подключен к источнику запирающего напряжения, о тпинающийся тем. что, с целью повышения КПД и увеличения надежности, введены дополнительный транзистор и ограничительный резистор, коллектор дополнительного транзистора соединен с коллектором силового транзистора, эмиттер дополнительного транзистора -- с коллектором одного из управляющих транзисторов, база дополнительного транзистора, через ограничительный резистор, параллельно которому подключен диод, соединена с источником отпирающего напряжения.

Изобретение относится к элементам силовых транзисторных преобразователей параметров электрической энергии и может быть использовано для создания источников вторичного электропитания с высокой надежностью и эффективностью. Транзисторный ключ содержит 4 транзистора (1,2, 3,4), 2 резистора (7,8) 1 диод (9), 2 источника напряжения (5, 6). 2 ил.