Устройство для управления силовым транзисторным ключом Советский патент 1982 года по МПК H03K17/60 

(5) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СИЛОВЫМ

ТРАНЗИСТОРНЫМ ключом Изобретение относится к импульсной технике и может .быть использован в импульсных усилителяхмощности и hpeoбpaзoвaтeляx напряжения. Известны устройства для управления силовым транзисторным ключом, содержащие дифференциальный усилитель, источник смещения, резисторы 1 Недостатком известных устройств является то, что постоянство степени насыщения силовых транзисторных ключей поддерживается лишь в узком диапазоне изменения; токов, что ограничивает быстродействие и надежность устройств. Известно также устройство для управления силовым транзисторным кпочом, содержащее дифференциальный усилитель, неинвертирующий вход кото рого через первый резистор соединен с общей шиной, а инвертирующий входс катодом первого диода и через второй резистор - с входной клеммой, первый транзистор, коллектор котороjro подключен к аноду первого диода, {эмиттер - к выходу дифференциального усилителя и второго диода,и базак аноду второго диода и аноду третьего диода, катод которого соединен с коллектором силового транзистора, база которого связана с одной из шин источника напряжения смещения 2j.. Недостатком данного устройства является перегрузка по току силового транзистора при включении и выключении, что также снижает его надежность и быстродействие. Цель изобретения - повышение быстродействия и надежности. С этой целе|Ф в устройство для управления силовым транзисторным ключом, содержащ м дифференциальный усилитель , неинвертирующий вход которого через первый резистор соединен с общей шиной, а инвертирующий вход с катодом первого диода и через второй резистор - с входной клеммой, перпервый транзистор, коллектор которого подключен к аноду первого диода, эмиттер - к выходу дифференциального усилителя и катоду второго диода, а база - к аноду второго диода и аноду третьего диода, катод которого соединен с коллектором силового транзистора, база которого связана с одной из шин источника напряжения смещения, введены второй и третий транзисторы. четвертый, пятый и шесГой диоды, трег ш тии резистор, который включен между эмиттером силового транзистора и общей шиной, причем анод четвертого диода подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя, а катодк коллектору второго транзистора, база которогосоединена с базой силового транзистора и анодом пятого диода, а эмиттер - с катодом пятого диода, выходом дифференциального усилителя и анодом шестого диода, катод которого подключен ко второй шине источника напряжения смещения, коллектор третьего транзистора связан с базой первого транзистора, база - с эмиттером силового транзистора, а эмиттер - с общей шиной. На чертеже приведена принципиальная электрическая схема устройства для управления силовым транзисторным ключом. Устройство содержит дифференциальный усилитель 1, неинвертирующий вход которого через первый резистор 2 соединен с общей шиной 3. а инвертирующий вход - с катодом первого диода А и через второй резистор 5 со вход Ной клеммой 6, первый транзистор 7, коллектор которого подключен к аноду первого диода , эмиттер - к выходу дифференциального усилителя 1 и като|ду второго диода 8, а база - к аноду второго диода 8 и аноду третьего диода 9, катод которого соединен с кол лектором силового транзистора 10, база которого связана с одной из шин источника напряжения смещения 11. В данном устройстве третий резистор 12 включен между эмиттером силового тран зистора 10 и общей шиной 3 анод четвертого диода 13 подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя 1 , а катод - к коллектору второго транзистора Н, база которого соединена с анодом пятого диода 15, а эмиттер - с анодом шестого диода 16, катод которого подключен ко второй шине источника напряжения смещения 11. Коллектор третьего транзисто

ра 17 связан с базой первого транзистора 7, база - с эмиттером силового транзистора 10, а эмиттер - с общей шиной 3.

Устройство работает следующим образом.

При подаче отрицательного управляющего сигнала на входную клемму 6 через резистор 5 на инверсный вход дифференциального усилителя 1 осуществляетсй включение устройства. При этом база-эмиттерный переход силового транзистора 10 смещается в прямом направлении насыщающим базовым током, поступающим с выхода усилителя 1, через диод 16 и источник напря жения смещения 11 в базу силового транзистора. При включении устройства напряжение этого транзистора велико и вспомогательный транзистор 7 заперт. Поэтому во входной цепи силового транзистора 10 протекают максимальные базовые токи, вызывающие значительные падение напряжения на эмиттерном резисторе 12. В результате третий транзистор 17 отпирается и включает первый транзистор 7, определяющий коэффициент передачи усилителя 1. При этом проводимость цепей отрицательной обратной связи (транзисторы 7, диод k) увеличивается, коэффициент передачи усилителя 1 уменьшается, положительное смещение база-эмиттерных переходов силового транзистора 10 также уменьшается и их базовый ток ограничивается на требуемом уровне. Таким образом, на начальном этапе включения с помощью дополнительно введенных ре-. зистора 12 и третьего транзистора 17 осуществляется регулирование базового тока силового транзистора 10, Лропорциональное его эмиттерному току, что обеспечивает определенное уменьшение степени насыщения силового транзистора, хотя степень насыщения при включении является много большей, чем в установившемся режиме, что необходимо как для обеспечения форсированного включения силового транзистора, так и для уменьшения динамических потерь. В установившемся режиме (на этапе Включено), т. е-, когда напряжение и силового транзистора 10 достигает своего стационарного значения, в базу первого транзистора 7 через третий диод 9 поступает дополнительный ток, что приводит к уменьшению базо5э

вого тока силового транзистора 10 и ограничению его до меньшего .значения При этом напряжение смещения на базе третьего транзистора 17 уменьшается ниже порогового значения и он отключается. Таким образом дополнительный транзистор 17 ограничивает степень насыщения силового транзистора толь;ко на этапе включения. Это позволяет решить задачу контроля степени насы|щения-на этапе Включение, исключая значительные потери энергии на этапе Включено в сравнении с тем, если бы степень насыщения поддерживалась неизменной. На этапе Включено, осуществляется слежение базового тока силового транзистора за коллекторным током (током нагрузки, обеспечивающее требуемую степень и : насы щения. При этом с уменьшением тока нагрузки степень насыщения силового транзистора увеличивается, что приводит к увеличению напряжения на его база-коллекторном переходе. Это, в свою очередь, приводит к смещению

b прямом направлении первого транзистора 7 и 4, т. е. к увеличению проводимости цепей отрицательной обратной связи усилителя 1 и тем самым к уменьшению базового тока силового транзистора 10.С увеличением тока нагрузки стег пень насыщения силового транзистора 10 уменьшается, что приводит к уменьшению напряжения на его база-коялекторном переходе, уменьшению прямого смещения база-эмиттерного перехода первого транзистора 7 и ослаблению отрицательной обратной связи усилителя 1, т. е. к увеличению базового тоКЗ силового транзистора 10.

На этапе Выключение на инверсные входы дифференциального усилителя 1 подается положительный управляющий сигнал. При этом к базе силового транзистора 10 через пятый диод 15 прикладывается запирающее отрицательное напряжение. Шестой диод 6 запирается и отключает от входных цепей второго транзистора 14 источник напряжения смещения 11. В результате через пятый диод 15 и включенный параллельно ему база-эмиттерный переход второго транзистора И начинают протекать обратные токи, запирающие силовой транзистор 10. В выходной цепи второго транзистора 1 + начинает протекать ток, пропорциональный запирающим обратным токам (коэффициентом пропорционально08i

сти является отношение площадей перехода диода 15 и база-эмиттерного перехода второго транзистора 1). При этом на этапе запирания дифференци альный усилитель 1 оказывается охваченным глубокой отрицательной обратной связью по току. Этим обеспечивается регулирование запирающеУо обратного тока силового транзистора 10 и, следовательно, отсутствие токовых выбросов в .силовом транзисторе при выключении, что существенно повышает надежность работы транзисторного ключа.

Для обеспечения эффективного выключения силового транзистора в широком диапазоне изменения температуры второй транзистор устройства следует связать термической отрицательной обратной связью с силовым транзистором. Необходимость этого обусловлена наличием термической зависимости времени жизни неосновных носителей и наличием положительной обратной, связи в процессе увеличения длительно-; сти времени выключения и температуры Указанная термосвязь способствует вн4сению в контур отрицательной обратной связи, компенсирующей положительную обратную связь, с увеличением температуры запирающий ток также увеличивается, а время выключения coкpaщa ется. Возможность такой компенсации основана на почти линейной зависимости времени жизни от температуры в шиг роком диапазоне ее изменения.

Таким образом, ограничение базового тока силового транзистора при перегрузках и уменьшение общего времени на переключение за счет дополнительно введенных двух транзисторов, трех диодов и резистора позволяет повысить надежность и сократить время : переходных процессов, а тем самым повысить быстродействие силового транзисторного ключа.

Формула изобретения

Устройство для управления силовым транзисторным ключом, содержащее дифференциальный усилитель, неинвертирующий вход которого через первый резистор соединен с общей шиной, а инвертирующий вход - с- катодом первого диода и через второй резистор с входной клеммой, первый транзистор, коллектор которого подключен к аноду первого диода, эмиттер - к выходу дифференциального усилителя и катоду второго диода, а база - к аноду второго диода и аноду третьего диода, катод которого соединен с коллекторо силового транзистора, база которого связана с одной из шин источника напряжения смещения, о т л и, ч а ю щ е е с я тем, что, с целью Повышения надежности и быстродействия, в устройство введены второй ,и третий транзисторы, четвертый, пятый и шестой диоды, третий резистор, который включен между эмиттером силового транзистора и общей шиной, причем анод четвертого диода подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя, а катод - к коллекто ру второго транзистора, база которого соединена с базой силового транзистора и анодом пятого диода, а a e 8 эмиттер - с катодом пятого диода, выходом дифференциального усилителя и анодом шестого диода, катод которого подключен к второй шине источника напряжения смещения, коллектор третьего транзистора связан с базой первого транзистора, база - с эмиттером силового транзистора, а эмиттер - с общей шиной. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Электронная техника в автоматике. Сб. статей под ред. Ю. Н. Конева. Вып. 9. М., Советское радио, 1977, с. 25, рис. 6а. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке Vf 2769233/21, кл. Н 03 К 17/60, 23.05.79 (прототип).