Полупроводниковый ключ Советский патент 1982 года по МПК H03K17/60 

(5) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ключ

1

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к устройствам коммутации электрической энергии, и может быть использовано в автоматике вычислительной или преобразователь-; ной технике для коммутации активйых, индуктивных или емкостных нагрузок в цепях постоянного тока.

Известен полупроводниковый ключ, содержащий силовой транзистор, первый токовый трансформатор с выходной и входной обмотками, первый управляющий транзистор, первый диод, шины питания, причем переход база-эмиттер силового транзистора зашунтирован выходной обмоткой токового трансформатора 1 .

Указанный ключ обладает низким КПД из-за потерь мощности в цепях.управления .

Известен также полупроводниковый ключ, содержащий силовой транзистор, первый и второй токовый.трансформатор с соответствующими первыми входными

И выходными обмотками, первый управ,-, ляющий транзистор, первый диод, шины питания, причем переход база-эмиттер силового транзистора зашунтирован первой выходной обмоткой первого токового трансформатора, последовательно с переходом коллектор-эмиттер известного транзистора включена первая входная обмотка второго токового трансформатора, а оаза и эмиттер пер10вого управляющего транзистора подсоединены к входным клеммам Ц .

Недостатком известного ключа является низкое быстродействие, так как при выключении силового транзис15тора процесс рассасывания носителей происходит медленнее, чем при пассивном запирании. Кроме того, известный ключ обладает низкой надежностью из-за перенапряжения на пер20вой выходной обмотке первого токового трансформатора, которое может привести к выходу из строя силового транзистора.

Цель изобретения - повышение быстродействия и надежности. .

Поставленная цель достигается тем что в полупроводниковый ключ, содержащий силовой транзистор, первый и второй токовые трансформаторы с соответствующими первыми входными и выходными обмотками, первый управляющий транзистор, первый диод, шины питания, причем перзход база-эмиттер силового транзистора зашунтирован первой выходной обмоткой первого токового трансформатора, последовательно с переходом коллектор-эмиттер транзистора включена первая вход ная обмотка второго токового трансформатора, а база и эмиттер первого управляющего транзистора подсоединены к входным клеммам, введены второй управляющий транзистор обратной проводимости по отношению к первому управляющему транзистору, два диода, две диодно-резисторные цепочки, при этом первый токовый трансформатор снабжен второй входной, пусковой и размагничивающей обмотками а второй токовый трансформатор снабжен второй выходной и размагничивающей обмотками, база второго управляющего транзистора подключена к базе, а - к эмиттеру первого уг авляющего транзистора и первой шине источника литания, коллектор первого управляющего транзистора подключен к первому выводу пусковой обмотки первого токового трансформатора, второй вывод которой через первый диод подключен к второй шине источника питания, а через последовательно включенные первую входную обмотку первого токового трансформатора, второй диод и первую выходную обмотку второго токового трансформатора - к первой шине источника питания и к одному выводу, второй выходной обмотки второго токового трансформатора, коллектор второго управляющего транзистора через последовательно соединенные третий диод и вторую входную обмотку первого токового трансформатора связан с другим выводом

второй выходной обмотки второго TOKo

вого трансформатора, а через последовательно соединенные размагничиваю1цуо обмотку первого токового трансформатора и первую диодно-резисторную цепочку и через последовательно соединенные размагнимиваю1цую обмотКУ второго токового трансформатора и вторую диодно-резисторную цепочкус третьей шиной источника питания.

На чертеже приведена принципиальная электрическая схема полупроводникового ключа.

Устройство содержит силовой транзистор 1, переход база-эмиттер которого зашунтирован выходной обмот- кой 2 первого токового трансформатора 3. а последовательно с переходом коллектор-эмиттер данного транзистора включена первая входная обмотка k второго токового трансформатора $,

Клеммы 6 и 7 служат для подключения к коммутируемой цепи. Первый управляющий транзистор 8 базовым и эмиттерным выводами подсоединен к входным клеммам 9 и 10. База второго управляющего транзистора 11 подключена к базе первого управляющего транзистора 8, а их. соединенные вместе эмиттеры подсоединены к первой шине 12 источника питания. Коллектор первого

управляющего транзистора 8 подключен к первому выводу пусковой обмотки 13 первого токового трансформатора 3, второй вывод которой через первый диод 14 подключен к второй шине 15 источника питания,.а через последовательно включенные первую входную обмотку 16 первого токового трансформатора 3, второй диод 17 и первую выходную обмотку 18 второго токового трансформатора 5 подключен к первой шине 12 источника питания. Коллектор второго управляющего транзистора 11 через последовательно соединенные третий диод 19, вторую вход

0 ную обмотку 20 первого токового трансформатора 5 связан с выводом первой выходной обмотки 18, подключенной к первой шине 12 источника питания, а через последовательно соеj диненные размагничивающую обмотку 22 первого токовоготрансформатора 3 и первую диодно-резисторную цепочку 23 подсоединен к третьей шине 2 источника питания. Кроме того, коллектор второго транзистора 11 управления через последовательно соединенные размагничивающую обмотку 25 второго токового, трансформатора 5 и вторую диодно-резисторную цепочку 26 подсоединен к третьей шине 2k источника питания.

Диодно-резисторные цепочки 23 и 26 содержат соответственно последовательно включенные диоды 27, 28 и резисторы 29, 30. Транзисторный ключ работает следующим образом. В исходном состоянии на шины 15 и 24 питания подано двуполярное напряжение относительно шины 12, управляющий сигнал на. входных клеммах 9 и 10 отсутствует, и силовой транзистор 1 надежно заперт, так как его эмиттерный переход зашунтирован низким сопротивлением выходной обмотки 2 первого токового трансформатора 3. При подаче на клеммы 9 и 10 положит тельного напряжения отпирается управ ляющий транзистор 8 и пусковая обмот ка 15 первого токового трансформатора 3, через диод 1 подключается ко второй шине 15.питания.При этом на выходной обмотке 2 первого токового трансформатора 3 появляется напряжение, приоткрывающее силовой транзистор 1. Коллекторный ток силового транзис тора 1 , протекая по входной обмотке 4 второго токового трансформатора 5, вызывает появление тока в цепи, образованной первой выходной обмоткой 18 второго токового трансформатора 5 вторым диодом 17, последовательно включенными первой входной 16 и пусковой 13 обмотками первого токового трансформатора.3 и насыщенным первым управляющим транзистором 8. Это, в свою очередь, приводит к увеличению базового тока силового транзистора 1, и, следовательно, увеличению его коллекторного тока. Процес протекает лавинообразно до насыщения силового транзистора 1. Во время насыщенного состояния си лового транзистора 1 его базовый ток пропорционален коллекторному току. Коэффициент пропорциональности, а, следовательно, и глубина насыщения, определяются соотношением числа витков входной t и выходной 18 обмоток второго токового трансфорг1 атора, входной 16, пусковой 13 и выходной обмоток первого токового трансформатора. Протеканию тока в размагничивающих 22 и 25, а также входной 20 и выходной 21 обмотках токовых трансформаторов 3 и 5 препятствуют запертый транзистор 11 управления, и диоды 19, 27 и 28. После смены полярности управляющего напряжения управляющий транзистор 8 запирается, разрывая цепь насыщения силового транзистора 1, а управляющий транзистор 11 насыщается, подключая выходную обмотку 21 второго токового трансформатора 5 к входной обмотке 20 первого токового трансформатора 3. При этом изменяется направление тока, протекающего в выходной обмотке 2 первого токового трансформатора 3. Во время рассасывания .носителей силового транзистора 1 его базовый ток также пропорционален току коллектора. Коэффициент пропорциональности определяется соотношением числа витков входной k, выходной 21 обмоток второго токового трансформатора 3. Таким образом, обеспечивается процесс форсированного рассасывания носителей из его базовой области, т.е. сокращается время рассасывания и снижаются потери мощности при включении. После окончания процесса рассасывания к размагничивающим обмоткам 22 и 25 через насыщенный управляющий транзистор 11 прикладывается напряжение от шин 12 и 2, обеспечивающее обратное перемагничив.ание сердечников первого 3 и второго 5 токовых трансформаторов. При этом соответствующим выбором витков можно обеспечить величину обратного напряжения, приложенного к эмиттерному переходу силового транзистора 1, меньшую максимально допустимого значения. Резисторы 29 и 30 диодно-резисторных цепочек 23 и 2б обеспечивают ограничение тока, отбираемого от шин 2k и 12 источника питания, после окончания обратного перемагничивания сердечников токовых транзисторов. Использование новых признаков дополнительного управляющего транзистора, диодов, изменение конструкции токовых трансформаторов, выгодно отличают предлагаемый полупроводниковый ключ от прототипа, так как при оптимальном соотношении витков трансформаторов повышается быстродействие и надежность устройства. Кроме того, использование двух транзисторов позволит использовать сердечники трансформаторов в двухтактном режиме и в связи с этим снизить вес и габариты ключа. Формула изобретения Полупроводниковый ключ, содержащий силовой транзистор, первый и

второй токовые трансформаторы с соответствующими первыми входными и выходными обмотками, первый управляющий транзистор, первый диод, шины питания, причем переход §аэа-эмиттер силового транзистора зашунтирован первой выходной обмоткой первого токового трансформатора, последовательно с переходом коллектор-эмиттер транзистора включена первая входная обмотка второго токового трансформатора, а база и эмиттер первого управляющего транзистора подсоединены к входным клеммам, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия и надежности, в него введены второй управляющий транзистор обратной проводимости по отношению к первому управляющему транзистору, два диода, две диодно-резис;торные цепочки, при этом первый токовый трансформатор снабжен второй входной, пусковой и размагничивающей обмотками, а вторюй токовый трансформатор снабжен /.второй выходной и размагничивающей обмотками, база второго управляющего транзистора подклю чена к базе, а эмиттер - к эмиттеру первого управляющего транзистора и первой шине источника питания, коллектор первого управляющего транзистору подключен к первому выводу пусковой обмотки первого токового трансформатора, второй вывод которой через первый диод подключен к второй шине источника питания, а через последовательно включенные первую входную обмотку первого токового трансформатора, второй диод и первую выходную обмотку второго токового трансформатора - к первой шине источника питания и к одному выводу второй выходной обмотки второго токового трансформатора, коллектор второго управляющего транзистора через последовательно соединенные третий диод и вторую входную обмотку первого токового трансформатора связан с другим выводом второй выходной обмотки второго токового трансформатора, а через последовательно соединенные размагничивающую обмотку первого токового трансформатора и первую диоднорезидторную цепочку и через посл довательно соединенные размагничивающую обмотку второго токового трансформатора и вторую диодно-резисторную цепочку - с третьей шиной источника питания.

Источники информации, принятые во при экспертизе

№ 630752, кл. Н 03 К 17/60, 1978.

№ 50336А. кл. Н 03 К 17/60, 1976 (прототип).