Устройство для управления мощным полевым транзистором

 

Изобретение относится к электротехнике . Целью изобретения является увеличение сверху диапазона рабочих частот мощных полевых транзисторов, уменьшение энергетических потерь на управление. Запирающий отрицательный источник с запускающим резистором и отпирающий положительный источник, введенные в цепи формирования управляющих импульсов мощным полевым транзистором совместно с генератором импульсов, через соответствующие ключи формируют оптимальную амплитуду запирающих и отпирающих импульсов . При этом уменьшается полное последовательное сопротивление в цепи затвора, что приводит к уменьшению времени заряда и перезаряда входной емкости полевого транзистора. Это позволяет использовать мощные полевые транзисторы на более высокой частоте с минимальными энергетическими потерями на управление в высокочастотных преобразователях напряжения импульсных источников электропитания , и также других устройствах, где применяются преобразователи напряжения . 2 ил. Ё VI ю ел со СО со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (s»s Н 02 M 1/08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4778014/07 . (22) 05.01.90 (46) 07.04.92. Бюл. М 13 (71) Киевский научно-исследовательский институт радиоизмерительной аппаратуры (72) Ю.П.Артюшенко, А.Г.Малахатка и

А.И.Давиденко (53) 621.316.727(088.8) (56) Устройства энергетической электроники с применением мощных полевых транзисторов. Киев, Институт электродинамики

АН УССР, 1989, с. 3-21, 50, 51, 78-80.

Мощные полевые транзисторы в устройствах вторичного электропитания. Киев, 1989, с. 11-18.

Импульсные свойства мощных полевых транзисторов со статической индукцией, Ю.Н.Максименко и др. Электронная техника. сер. 2. Полупроводниковые приборы.

1987, вып. 2.

Окснер Э.С. Мощные полевые транзисторы и их применения. М.: Радио и связь, 1985, с. 98-102, 290-223.

Источники электропитания радиоэлектрон ной ап паратуры/Под ред. Н ай вел ьта

Г.С. M,: Радио и связь, 1985, с. 347, 418.

Изобретение относится к электротехниI ке и может быть использовано в различных системах электропитания радиоаппа ратуры, вычислительной техники и средств связи.

Известны устройства управления мощными полевыми транзисторами со статической индукцией (СИТ), состоящие из формирователей запирающего и отпирающего напряжений, переключение СИТ про!

Ж,, 1725333 А1 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ

МОЩНЫМ ПОЛЕВЫМ ТРАНЗИСТОРОМ (57) Изобретение относится к электротехнике. Целью изобретения является увеличение сверху диапазона рабочих частот мощных полевых транзисторов, уменьшение энергетических потерь на управление, Запирающий отрицательный источник с запускающим резистором и отпирающий положительный источник, введенные s цепи формирования управляющих импульсов мощным полевым транзистором совместно с генератором импульсов, через соответствующие ключи формируют оптимальную амплитуду запирающих и отпирающих импульсов. При этом уменьшается полное последовательное сопротивление в цепи затвора, что приводит к уменьшению времени заряда и перезаряда входной емкости полевого транзистора. Это позволяет использовать мощные полевые транзисторы на более высокой частоте с минимальными энергетическими потерями на управление в высокочастотных преобразователях напряжения импульсных источников электропитания, и также других устройствах, где и риме ня ются и реоб разо ватели на и ряжения. 2 ил, изводится перепадом напряжения, прикладываемого между его затвором и истоком.

При этом ток стока определяется напряжением питания и сопротивлением нагрузки цепи стока и, кроме того, зависит от значения напряжения на затворе.

СИТ вЂ” нормально открытый прибор с управляющим р-и-переходом и при нулевом напряжении на затворе цепь сток-исток транзистора находится в проводящем со1725333 стоянии. Перевод последней в непроводящее состояние осуществляется при помощи запирающего напряжения отрицательной полярности, приклады ваемого между затвором и истоком. 5

Формирование запирающего напряжения такими устройствами управления через развязы вающие трансформаторы приводит к избыточному положительному напряжению на затворе мощного полевого транзи- 10 стора, для ограничения которого необходимо применять специальные меры.

Традиционные способы ограничения положительного напряжения на затворе мощного полевого транзистора приводят к росту 15 энергетических потерь на управление, увеличению полного сопротивления в цепи затвора, что в свою очередь ограничивает сверху диапазон рабочих частот мощных полевых транзисторов применяемых в высоко- 20 частотных преобразователях напряжения.

Устройства управления мощными полевыми транзисторами, используемые в мостовых и полумостовых высокочастотных преобразователях напряжения, формируют 25 отпирающие и запирающие импульсы в форме меандра, амплитудой 10 - 25 В в зависимости от типа полевого транзистора.

Для эффективного отпирания таких транзисторов, когда сопротивление сток-исток до- 30 стигает 0,1-0,05 Ом, достаточно к затвору приложить положительное напряжение 0,61,0.В, а для надежного запирания — отрицательное напряжение 10-25 В.

Ввиду того, что мощность управления 35 мощным полевым транзистором

Рупр = Свх U F, 2 где Свх — эффективная емкость с учетом эффекта Миллера;

U — напряжение управления; 40

F — частота переключения, то формирование избыточного положительного напряжения приводит к росту мощности управления, часть которой используется для переключения транзисторов, другая 45 часть выделяется в виде тепла на управляющих ключах и ограничителе отпирающего тока в цепи затвора.

Учитывая, что мощные полевые транзисторы имеют значительные входные емко- 50 сти, поэтому обычно стремятся уменьшить постоянную времени входной цепи транзистора с тем чтобы повысить быстродействие в режиме переключения, при этом длительность фронтов запирающих и отпирающих 55 импульсов зависит от полного последовательного сопротивления в цепи затвора, которое, помимо других составляющих, включает в себя сопротивление ограничителя отпирающего тока, Величина этого сопротивления может достигать значительной величины при формировании избыточного положительного напряжения, которое в свою очередь резко увеличивает полную эффективную входную емкость транзистора.

Так как длительность фронта может быть выражена в постоянных времени цепи затвора

1ф = 2,2 ВСвх, где R — полное последовательное сопротивление;

Свх — полная эффективная входная емкость, с учетом эффекта Миллера, то уменьшение значения отпирающего напряжения, при сохранении необходимого тока управления, приводит к уменьшению длительности фронта переключения, вследствие уменьшения полного последовательного сопротивления в цепи затвора полевого транзистора.

Наиболее близким техническим решением является устройство управления СИТ, содержащее генераторы отпирающего и запирающего напряжения. Формируемые импульсы через развязывающие трансформаторы управляют ключами на биполярном транзисторе и диоде соответственно отпирающего и запирающего напряжения. Отпирающее напряжение через транзистор, ограничительный резистор отпирающего тока и формирующий конденсатор обеспечивают режим включения полевого транзистора, а запирающее напряжение подается через диод.

Недостатком указанного устройства управления является формирование избыточного напряжения на вторичной обмотке развязывающего трансформатора, подключенного к генератору отпирающего напряжения. Это обстоятельство приводит к необходимости в установке ограничителя отпирающего тока в цепи затвора, приводящее к увеличению полного последовательного сопротивления, что увеличивает длительность фронтов переключения, то есть ограничивает сверху диапазоны рабочих частот мощных полевых транзисторов.

Цель изобретения — расширение сверху диапазона рабочих частот мощных полевых транзисторов, уменьшение энергетических потерь на управление.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для управления мощным полевым транзистором, содержащее генератор управляющих импульсов, выход которого подключен к первичной обмотке развязывающего трансформатора, первая вторичная обмотка которого через первый ограничительный резистор подключена к база-эмит1725333

55 терному переходу запирающего транзистора, а вторая вторичная обмотка через второй ограничительный резистор подключена к база-эмиттерному переходу отпирающего транзистора, причем эмиттер запирающего и коллектор отпирающего транзисторов предназначены для подключения к затвору мощного полевого транзистора снабжено источником положительного отпирающего напряжения, запускающим резистором и опережающим источником отрицательного напряжения, минусовой вывод которого подключен к коллектору запирающего транзистора непосредственно и к эмиттеру через запускающий резистор, а плюсовой вывод подключен к эмиттеру отпирающего транзистора и к плюсовому выводу источника положительного отпирающего напряжения, . минусовой вывод которого предназначен для подключения к истоку мощного полевого транзистора, развязывающий трансформатор снабжен дополнительной вторичной обмоткой, а источник положительного отпирающего напряжения выполнен на дополнительной вторичной обмотке развязывающего трансформатора, подключенной через выпрямительный диод к накопительному конденсатору, зашунтированному ограничителем отпирающего напряжения, причем точка соединения катода выпрямительного диода с выводом накопительного конденсатора использована как плюсовой вывод источника положительного отпирающего напряжения, Введенные в устройство управления опережающий источник отрицательного напряжения и запускающий резистор, служащие для формирования и подачи на затвор мощного полевого транзистора запирающего напряжения, и последовательно включенный с ним источник отпирающего напряжения, состоящий из вторичной обмотки развязывающего трансформатора, выпрямительного диода, накопительного конденсатора и ограничителя отпирающего напряжения, совместно с отпирающим и запирающим транзисторами проявляют новое свойство — формируют оптимальную амплитуду отпирающих и запирающих импульсов. Так как амплитуда запирающих импульсов определяется значением напряжения на опережающем отрицательном источнике, соответствующим напряжению отсечки. мощного полевого транзистора, а амплитуда отпирающих импульсов — значением напряжения на положительном источнике, Напряжение затвор-исток мощного полевого транзистора, определяемое его входной характеристикой составляет 0,6-1 В. Формирование

50 на затворе такого напряжения позволяет исключить ограничитель отпирающего тока и, тем самым, уменьшить постоянную времени входной цепи транзистора. Это позволяет уменьшить постоянную времени входной цепи и увеличить сверху диапазон рабочих частот.

На фиг. 1 представлена электрическая схема устройства управления;- на фиг. 2— график зависимости напряжения от времени, Устройство содержит генератор 1 управляющих импульсов, подключенный к первичной обмотке развязывающего трансформатора 2, один вывод вторичной обмотки 3 подключен через ограничительный резистор 4 к к база-эмиттерному переходу запирающего транзистора 5, эмиттер которого подключен к запускающему резистору

6, второму выводу вторичной обмотки 3, затвору транзистора 7 и к коллектору отпирающего транзистора 8, база которого через ограничительный резистор 9 подключена к выводу вторичной обмотки 10, второй вывод которой подключен к эмиттеру транзистора

8, который подключен к плюсу источника 11, минус которого подключен к резистору 6 и коллектору транзистора 5 и подключен к ограничителю отпирающего напряжения

12, конденсатору 13 и катоду диода 14, анод которого подключен к вторичной обмотке

15, второй вывод которой подключен к конденсатору 13, ограничителю отпирающего напряжения 12, минусу источника 16 питания и к истоку транзистора 7, сток которого через нагрузочный резистор 17 подключен к плюсу источника 16 питания.

В качестве .генератора управляющих импульсов может быть использован задающий генератор прямоугольного напряжения с паузой на нуле.

В качестве опережающего источника отрицательного напряжения может быть использован простой однотактный преобразователь постоянного напряжения, работающий на частоте 50-80 кГц, формирующий на выходе отрицательное напряжение 15-25 В.

Предлагаемое устройство управления реализовано на биполярных транзисторах типа КТ626 и работает следующим образом.

В начальный. момент времени между затвором и истоком транзистора 7 от источника 11 через резистор 6 приложено запирающее напряжение (фиг,2, U»), поэтому транзистор 7 закрыт и напряжение на его стоке U«равно напряжению источника питания 16 U (фиг. 2, U«). С приходом импульсов управления от генератора 1 на вторичных обмотках трансформатора 2

1725333

50

55 наводятся импульсы управления 0з, U)o, U

8. С вторичной обмотки 15 импульсы через диод 14 заряжают конденсатор 13 до напряжения Оо д, которое через открытый транзистор 8 прикладывается к затвору транзистора 7. Входная емкость С» транзистора 7 перезаряжается до положительного напряжения, он открывается и насыщается током, ограниченным напряжением U» транзистора 7 и нагруэочным резистором

17. При этом напряжение на стоке открытоro транзистора 7 достигает Uon. С приходом отпирающего импульса на транзистор 5 и запирающего на транзистор 8, последний запирается, а транзистор 5 отпирается и через него происходит перезаряд входной емкости транзистора 7 до напряжения запирания, соответствующего напряжению источника 11, и он запирается. В дальнейшем процесс переключения транзистора 7 повторяется. 3начениео г ра н и ч и тел я отпирающего напряжения 12 выбирается так, чтобы напряжение U» с учетом падения напряжения на открытом транзисторе 8 не превышало значения 0,7-1,0 В.

Таким образом ведение отпирающего источника питания последовательно включенного с запирающим источником позволяет исключить ограничитель отпирающего тока, тем самым уменьшить полное сопротивление в цепи затвора и достигнуть поставленную цель — расширить сверху диапазон рабочих частот мощных полевых транзисторов и уменьшить потери на управление.

Формула изобретения

1. Устройство для управления мощным полевым транзистором, содержащее генератор управляющих импульсов, выход которого подключен к первичной обмотке развязывающего трансформатора, первая вторичная обмотка которого через первый ограничительный резистор подключена к база-эмиттерному переходу запирающего

5 транзистора, а вторая вторичная обмотка через второй ограничительный резистор подключена к база-эмиттерному переходу отпирающего транзистора, причем эмиттер запирающего и коллектор отпирающего

10 транзистора предназначены для подключены к затвору мощного полевого транзистора, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения сверху диапазона рабочих частот при одновременном уменьшении потерь

15 на управление, оно снабжено источником положительного отпирающего напряжения, запускающим резистором и опережающим источником отрицательного напряжения, минусовой вывод которого подключен к кол20 лектору запирающего транзистора непосредственно и к эмиттеру через запускающий резистор, а плюсовой вывод подключен к змиттеру отпирающего транзистора и к плюсовому выводу источника по25 ложительного отпирающего напряжения, минусовой вывод которого предназначен для подключения к истоку мощного полевого транзистора.

2. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е е30 с я тем, что развязывающий трансформатор снабжен дополнительной вторичной обмоткой, а источник положительного отпирающего напряжения выполнен на дополнительной вторичной обмотке развя35 зывающего трансформатора, подключенной через выпрямительный диод к накопительному конденсатору, зашунтированному ограничителем отпирающего напряжения, причем точка соединения катода

40 выпрямительного диода с выводом накопительного конденсатора использована как плюсовой вывод источника положительного отпирающего напряжения.

1725333 си

Фиг.2

Составитель Ю.Артюшенко

Техред М.Моргентал Корректор И.Муска

Редактор С.Патрушева

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1182 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5