Транзисторный ключ Советский патент 1982 года по МПК H03K17/60 

(54) ТРАНЗИСТОРНЫЙ КЛЮЧ

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано, в частности, в импульсных усилителях мощности.

Известен транзисторный ключ, содержащий параллельно соединенные силовые транзисторы, подключенные к общему предоконечному усилителю на транзисторе, дополнительно введенные дифференциальный каскад (усилитель) и эталонный источник питания, причем база общего транзистора предоконечнрго усилителя соединена с выходом дифференциального усилителя, один вход которого подключен к общему коллектору параллельно соединенных силовых транзисторов, а другой вход к выходу источника эталонного напряжения , другой выход которого соединен с общей базой силовых транзисторов (1 .

Однако в данном-транзисторном ключе не обеспечивается равномерное токораопределение из-за отсутствия син;хронности включения и выключения параллельно соединенных силовых тран- . зисторов, что приводит к значительным броскам токов в отдельных транзисторах и снижению надежности работы ключа.

Наиболее близок к предлагаемому по технической сущности транзисторный ключ, содержащий jn параллельно соединенных силбвых транзисторов, два вспомогательных транзистора, один из которых подключен эмиттером к базе первого силового транзистора, базой через разделительный диод к коллекторам силовых транзисторов,

to обратный диод и пять резисторов 2.

Однако в известном устройстве не обеспечивается идентичность токораспределения в из силовых транзисторов, что снижает надежность ра15 .боты ключа.

Цель изобретения - повыиение надежности.

Для достижения поставленной цели в транзисторный ключ, содержащий п

20 параллельно соединенных силовых транзисторов, два вспомогательных транзистора, один из которых подключен эмиттеЕюм к базе первого силового транзистора, базой через разделительный диод - к коллекторам силовых транзисторов, обратный диод и пять резисторов, введены (п-2) вспомогательных транзисторов, (п-1) разделительных и (п-1) обратных диодов,

30 (п-5) резисторов и п поэисторов. причем второй и каждый из (п-2) введенных вспомогательных транзисторы подключены эмиттерами к базам соответствующих (п-1) силовых транзисторов, а базами через соответствующий разделительный диод - к коллекторам силовых транзисторов, каждый обратный диод включен с соответствующим резистором в последовательную цепь, выводы которой подключены параллель но эмиттер-коллекторному переходу соответствующего.вспомогательного транзистора, коллектор которого подключен ко входной шине, соединенной с первыми выводами позисторов, вторы выводы которыхподключены к базам соответствующих вспомогательных тран зисторов. На чертеже представлена принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства, . .- ранзисторный ключ содержит п, например два, параллельно соединенны силовых транзистора 1 и 2, вспомогательные транзисторы 3 и 4, разделительные диоды 5 и 6, позисторы 7 и 8 (терМисторы с положительным ТКС), обратные диоды . и 10 резисторы 11 и 12, источник 13 питания и нагрузку 14. На входключа поступают управляющие сигналы от источника 15. Вспомогательные транзисторы 3 и 4 подключены эмиттерами к базам силовых транзисторов 1 и 2, а базами через разделительные диоды 5 и б - к общей точке соединения коллекторов 9Иловых транзисторов 1 и 2. Одни выводы позисторов 7 и 8 соединены с базами вспомогательных транзисторов 3 и 4, а другие их выводы .совместно с коллекторами этих транзисторов сое динены с управляющим входом ключа. Цепи из последовательно соединенных обратных диодов 9 и 10 и резисторов 11 и 12 включены параллельно эмиттерно-коллекторным переходам вспомо гательных транзисторов 3 и 4. Силовые транзисторы 1 и 2 объединены индивидуальными термическими отрицательными обратными связями (ООС) с позисторами 7 и 8, расположеяными непосредственно на полупроводниковой структуре силовых транзисторов 1 и 2. Предлагаемый транзисторный ключ работает следующим образом. При поступлении на вход ключа отрицательного управляющего напряже ния обратные диоды 9 и ДО смещаются в прямом направлении и, шунтируя вспомогательные транзисторы 3 и 4, обеспечивают надежное запирание си ловых транзисторов 1 и 2, предотвра щая нежелательную инверсию режима этих транзисторов. Так как напряжение на коллекторах запертых силовых транзисторов 1 и 2 положительное и достаточно высокое (Е), то разделительные диоды 5 и 6 смещены в обратном направлении и разделяют низковольтную входную и высоковольтную силовую цепи ключа. При подаче на вход ключа положительного управляющего напряжения диоды 9 и 10 запираются, а через позисторы 7 .и 8 и базо-эмиттерные переходы силовых транзисторов 1 и 2 протекает ток прямого смещения вспомогательных транзисторов 3 и 4 от источника управляющих сигналов. Так как токи в позисторах 7 и 8 и в базах силовых транзисторов 1 и 2 отличаются в ((1 + 1) раз (где ft - динамический коэффициент передачи базового тока вспомогательных транзисторов 3 и 4), то энергетические потери на позисторах невелики и влияние собственного их разогрева на порог . срабатывания исключается. В результате силовые транзисторы 1 и 2 открываются и напряжение на их коллекторах начинает уменьшаться. Известно, что, контролируя величину и знак напряжения на коллекторном переходе ( ) , можно осуществить работу силовых транзисторов в заданном режиме независимо от изменения тока нагрузки. Оптимальному режиму, при котором суммарные потери в силовых транзисторах минимальны, соответствует определенное оптимальное значение V у , Обычно это режим неглубокого насыщения, близкий к граничному, при KOTOpoMV,5 0. Однако в связи со значительным разбросом собственных сопротивлений баз, ЭIvlиттepa и коллектора силовых транзисторов 1 и 2 и-х V g ,5пт |TaJ{жe различны. Поэтому для надежной работы мседного ключа необходимо обеспечить индивидуальный контроль напряжений V для каждого п параллельно соединенных силовых транзисторов, развязав их базы of общего входного 3 ажима. Необходимость индивидуального регулирования V )(5 , а вместе с тем и тока базы в соответствии с изменением тока коллектора силовых транзисторов диктуется различием протекающих через них токов и наличием сильной зависимости усиления базового тока от величины тока коллектора и температуры каждого из параллельно соединенных транзисторов. В соответствии с этим в транзисторном ключе предусмотрено индивидуальное спежение тока базы за током коллектора (нагрузки) каждого силового транзистора, которое осуществляется следующим образом. При уменьшении потенциала коллекторов напряжение силовых транзисторов 1 и 2 уменьшается и при достижении его заданного оптимального значения диоды 5 и 6 открываютс При этом ток, протекающий через позисторы 8 и 9 и определяющий базовый ток вспомогательных транзисторо 3 и 4, через открытые диоды 5 и 6 начинает ответвляться в выходную цепь ключа, что приводит к уменьшению базового тока вспомогательных транзисторов 3 и 4, уменьшая на них падение напряжения и ограничивая та ким образом дальнейшее насыщение си ловых транзисторов 1 и 2. При увеличении тока нагрузки напряжения силовых транзисторов увеличиваются и диоды 5,6 начинают запираться, что приводит к увели чению базовых токов вспомогательных транзисторов 3 и 4 и уменьшению их выходных сопротивлений,.В результате базовые токи силовых транзисторов 1 и 2 увеличиваются, обеспечивая таким образом заданную степень насыщения. Так как базы силовых транзисторо 1 и 2 на этапе регулирования насыщенного базового тока развязаны зна чительными динамическими сопротивле ниями транзисторов 3 и 4 от общего входного зажима, то при этом обеспе чивается индивидуальное слежение за напряжением каждого из парал лельно соединенных силовых транзисторов 1 и 2. При переключении транзисторов на ибольшему разбросу подвержено время выключения из-за наличия длительног этапа рассасывания избыточных носителей (tpdcc ). Поскольку степень на сыщения силовых транзисторов 1 и 2 до выключения поддерживают постоянной, то накопленные заряды избыточных носителей в структурах одинаковы. Идентичность tpg. улучшение, таким образом, токораспределения при переключении достигается путем выравнивания запирающих силовые тра зисторы 1 и 2 обратных токов, проте кающих через обратные диоды 9 и 10 и входные цепи транзисторов. Это осу ществляется включением последовател но с обратными диодами 9 и 10 резис торов 11 и 12. Это дает возможность обеспечить выравнивание коллекторных токов силовых транзисторов 1 и 2 в услови ях постоянства их температур. Однако токораспределениё в парал лельно соединенных транзисторах в значительной мере зависит от условий теплообмена между структурами и окружающей их средой, причем в схемах со слежением тока базы за то ком коллектора,, в КОТОЕЯЛХ используются режимы работы с невысокой степенью насыщения, близкие к граничным, температурные зависимости токораспределения и времени переключения силовых транзисторов наиболее выра- жены. С учетом этого в транзисторном ключе предусмотрены индивидуальные термические ООС между каждым из силовых транзисторов и соответствующим позистором, являющимся регулятором насыщающего базового тока. Термические ООС осуществляются путем непосредственного теплового контакта структуры силовых транзисторов 1 и 2 и позисторов 7 и 8, включенных в базовые цепи вспомогательных транзисторов 3 и 4. С изменением температуры структуры силового транзисто-. ра происходит согласное изменение сопротивления позистора ипротивоположное изменение базового тока силового транзистора, в результате чего степень насыщения последнего поддерживается постоянной в широком диапазоне изменения температур. Этим достигается улучшение токораспределения в силовых транзисторах как в статике, так и при их переключении. Кроме того, позисторы выполняют и свою прямую функцию тепловой защиты силовых транзисторов и ключа в целом. Совокупность перечисленных выше мер позволяет обеспечить существенное повышение надежности работы мощного транзисторного ключа. Формула изобретения Транзисторный ключ, содержащий п параллельно соединенных силовых транзисторов, два вспомогательных транзистора, один из которых подключен эмиттером к базе первого силового транзистора, базой через разделительный диод - к коллекторам силовых транзисторов, обратный диод и пять резисторов, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, в него введены (п-2) вспомогательных транзисторов, (п-1) разделительных и (п-1) обратных диодов, (п-5) резисторов и п позисторов, причем второй и каждый из (п-2) введенных вспомогательных транзисторы подключены эмиттерами к базам соответствующих (п-1) силовых транзисторов, а базами через соответствующий разделительный диод - к коллекторам силовых транзисторов, каждый обратный диод включен с соответствущим резистором в последовательную цепь, выводы которой подключены параллельно эмиттер-каплекторному переходу соответствующего вспомогательного транзистора, коллектор которого подключен ко входной шине, соединенной с первыми выводами позисторов, вторые выводы которых подключены к

9117308

баэги соответствующих вспомогательных тоанзисторов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

«

И/-:

1,Авторское свидетельство СССР 505l28, кл. Н 03 К 17/04, 1978.

2.Электричество. 1977, 10, с. 84 и 85.