Магнитно-транзисторный ключ
Использование: в электротехнике в преобразователях электрической энергии и источках электропитания. Сущность изобретения: устройство содержит 2 транзистора (3, 4), 2 диода (9, 10), 1 ключевой элемент (2), 1 источник управляющего тока
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (51) s Н 03 К 1 7/60
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
IlO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4878928/21 (22) 29.10.90 (46) 23.06.92. Бюл. М 23 (71) Киевское конструкторское бюро "Луч" (72) В.А.Возный и Н.Б.Марченко (53) 621.382(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
М 1352641, кл. Н 03 К 17/60, 1985.
Ромаш Э.М. и др. Высокочастотные транзисторные преобразователи. — М.: Ра дио и связь, 1988, рис.3.25б.
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в преобразователях электрической энергии и источниках электропитания.
Целью изобретения является расширение области применения, повышение надежности и быстродействия, а также упрощение устройства.
На фиг.1 приведена схема магнитнотранзисторного ключа по п.1 формулы; на фиг.2 — диаграммы, иллюстри ующие работу ключа; на фиг.3 — схема ключа по п.2 формулы.
Магнитно-транзисторный ключ содержит источник 1 управляющего тока, ключевой элемент 2, вспомогательный 3 и силовой
4 транзисторы, трансформатор тока 5 с первой 6, второй 7 и третьей 8 обмотками, первый 9 и второй 10 диоды, ограничитель 11 напряжения, клеммы для подключения нагрузки 12 и 13 и резистор 14.,. Ы,„, 1742988 А1 (54) МАГНИТНО-ТРАНЗИСТОРНЫЙ КЛЮЧ (57) Использование: в электротехнике в преобразователях электрической энергии и источках электропитания. Сущность изобретения: устройство содержит 2 транзистора (3, 4), 2 диода (9, 10), 1 ключевой элемент (2), 1 источник управляющего тока (1), 1 трансформатор тока (5) с тремя обмотками (6, 7, 8), 1 ограничитель напряжения (11), 2 клеммы для подключения нагрузки (12, 13). 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Коллектор силового транзистора 4 соединен с первой клеммой для подключения нагрузки 12, а его эмиттер — с первым выводом источника 1 управляющего тока, началами первой 6, третьей 8 и концом второй 7 обмоток трансформатора тока 5. Второй вывод источника 1 управляющего тока через ключевой элемент 2 подключен к базе транзистора 3, эмиттер которого подключен к базе транзистора 4. Начало обмотки 7 через второй диод 10, соединено с коллектором транзистора 3. Между концом второй обмотки 8 и базой транзистора 4 включена последовательная цепь из первого диода 9 и ограничителя 11.
Конец первой обмотки 6 соединен с второй клеммой для подключения нагрузки 13, Резистор 14 шунтирует переход эмиттербаза транзистора 3. Первая обмотка 6 может быть включена и в цепь коллектора, что не
1742988 имеет принципиального значения (см.пунктир на фиг.1).
Магнитно-транзисторный ключ работает следующим образом.
При .замыкании ключевого элемента 2 возникает путь для протекания базового тока транзисторов 3 и 4, что приводит к открыванию этих транзисторов и протеканию тока нагрузки через силовую цепь транзистора 4 и первую обмотку 6. Часть этого тока трансформируется во вторую обмотку 7, благодаря чему базовый ток транзистора 4 замыкается по цепи обмотка 7 — диод 10— транзистор 3 — переход база — эмиттер транзистора 4 и поддерживает ключ в открытом состоянии. Напряжение ограничителя 11 выбирается таким образом, чтобы оно превышало напряжение на обмотке 8.
Вследствие этого цепь из диода 9, ограничителя 11 и обмотки 8 на работу ключа в открытом состоянии влияния не оказывает.
При размыкании ключевого элемента 2 выключается транзистор 3 и размыкается цепь для протекания базового тока транзистора, после чего начинается процесс рассогласования неосновных носителей, накопившихся на границе коллекторного перехода. При этом в устройстве может протекать три тока, Это ток коллектора 1к, который протекает через коллекторный переход и первую обмотку 6, ток ie, протекающий через диод 9, ограничитель 11 и третью обмотку 8, и ток эмиттера is, B зависимости от соотношения витков в обмотках 6 и 8 возможны три случая, В первом случае, когда число витков обмотки
8 We больше числа витков обмотки 6We, ток базы силового транзистора меняет знак (см. интервал t1 — t2 на фиг,2). При этом ia>ie, а ь >О (см. диаграммы "а" на фиг,2б, в), На этом же этапе возрастают все напряжения на всех обмотках трансформатора тока, поскольку протекание базового тока возможно только в том случае, если напряжение на третьей обмотке 8 будет превышать напряжение ограничения ограничителя 11 (см. фиг.2,е, где показано напряжение на конце обмотки 8 по отношению к ее началу).
По окончании рассасывания неосновных носителей в момент времени tz начинается процесс восстановления сопротивления коллекторного перехода, который заканчивается в момент времени тз.
На этом этапе происходит спад всех токов до нуля, нарастание коллекторного напряжения U и реверс напряжения на обмотках трансформатора тока, При этом диод 10 защищает транзистор 3 от инверсного включения, а диод 9 — переход база-эмиттер транзистора 4 от подачи открывающего на5
55 пряжения после момента времени tz. Энергия, накопленная в магнитной системе трансформатора тока, может быть демпфирована любым известным способом, поэтому элементы демпфера, который может быть подключен к любой обмотке, не показаны.
В данном режиме ток эмиттера на этапе выключения может быть значительно меньше тока коллектора, что достигается соответствующим выбором соотношения витков первой и третьей обмоток. Уменьшение тока эмиттера способствует расширению области безопасной работы ключа и повышению его надежности. При этом автоматически увеличивается рассасывающий ток через коллекторный переход, что способствует ускорению процесса рассасывания и повышению быстродействия ключа.
Второй случай We = We. Это означает, что на этапе t1 — сз,! к = ie, à is = О. Последнее условие соответствует границе режима эмиттерной коммутации и в общем случае может быть выражено в виде is.. 0.
При эмиттерной коммутации область максимальных режимов расширяется, а возможность возникновения вторичного пробоя исключается. Это позволяет еще больше расширить область применения и надежность таких ключей, В этом случае рассасывание избыточных носителей происходит током коллектора, что способствует дальнейшему повышению быстродействия ключей за счет сокращения времени рассасывания. На фиг.2 этот случай представлен диаграммами
"б".
Третий случай We 1б >!к, à !э <О. При этом ток эмиттера меняет знак и протекает в направлении, указанном на фиг,1 пунктирной стрелкой. B этом режиме происходит смещение эмиттерного перехода в обратном направлении вплоть до пробоя, что создает путь для протекания изменившего направления эмиттерного тока. При этом происходит нарастание отрицательного потенциала на базе транзистора 4 по отношению к эмиттеру. Это определяет необходимость элемента 2, разомкнутое состояние которого на данном этапе предотвращает несанкционированное включение транзистора 3. Существенное превышение витков обмотки 6 по сравнению с обмоткой 8 нецелесообразно, поскольку усиление неравенства We 10 55 печивается.достижение поставленной цели за счет обеспечения режима эмиттерной коммутации. Включение первой обмотки 6 последовательно с цепью нагрузки и силовымй выводами транзистора 4 возможно как со стороны эмиттера, так и со стороны коллектора (пунктир на фиг.1), поскольку в обоих вариантах через нее протекает ток коллектора. Бывает целесообразным подключение эмиттера к общей точке схемы, что делает предпочтительным включение обмотки 6 со стороны коллектора, но налагает более жесткие требования к изоляции между обмотками 6 и обмотками 7 и 8. С другой стороны, при выполнении условия We=We которое является граничным и частным случаем обеспечения условия 4 О, включение обмотки 6 со стороны эмитте. ра позволяет упростить устройство. Как видно из фиг.1, начала обмоток 6 и 8 соединены между собой. Если We=We, то концы этих обмоток являются эквипотенциальными и, следовательно, могут быть соединены. В этом случае обмотки 6 и 8, содержащие одинаковое число витков и со. единенные параллельно, вырождаются в одну обмотку (см. фиг.3). Ограничитель напояжения может быть выполнен различными способами, например, в виде цепочки последовательно включенных диодов, в виде стабилитрона либо любым другим известным способом. Включение резистора 14 параллельно переходу эмиттер-база обеспечивает закрытое состояние транзистора 3 в отсутствие тока управления. Ключевои элемент 2 может быть также выполнен различными способами, например, на основе транзистора, или другим известным способом, позволяющим предотвратить протекание базового тока транзистора 3 на этапе рассасывания избыточных зарядов транзистора 4. Традиционным способом обеспечения режима эмиттерной коммутации является включение в эмиттерную цепь высоковольтного силового транзистора другого низковольтного транзистора. Выключение такого ключа обеспечивается выключением допол15 50 нительного транзистора, чем и обеспечивается условие 4 =О. Режим эмиттерной коммутации достигается без введения дополнительного силового транзистора, что позволяет избежать связанных с этим статистических потерь во включенном состоянии, поскольку падение напряжения на обмотке 6 при открытом состоянии ключа может быть весьма незначительным. Формула изобретения 1. Магнитно-транзисторный ключ, содержащий трансформатор тока, источник управляющего тока, вспомогательный транзистор, клеммы для подключения нагрузки и силовой транзистор, база которого соединена с эмиттером вспомогательного транзистора, а силовая цепь подключена к клеммам для подключения нагрузки через первую обмотку трансформатора тока, которая включена таким образом, что ток нагрузки втекает в ее начало, конец второй обмотки трансформатора тока подключен к эмиттеру силового транзистора и первому выводу источника управляющего тока, о т ли ч а ю шийся тем, что, с целью расширения области применения, повышения надежности и быстродействия, введены ключевой элемент, два диода, ограничитель напряжения, а трансформатор, тока снабжен третьей обмоткой, начало которой подключено к эмиттеру силового транзистора, а конец через последовательную цепь, состоящую из первого диода и ограничителя напряжения, — к базе силового транзистора, начало второй обмотки через второй диод, включенный в направлении, соответствующем прямому базовому току силового транзистора, .подключено к коллектору вспомогательного транзистора, база которого через ключевой элемент соединена с вторым выводом источника управляющего тока. 2. Ключ по п.1, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью упрощения, трансформатор тока выполнен с отношением витков первой и третьей обмоток равным единице, начало первой обмотки подключено к эмиттеру силового транзистора, а концы первой и третьей обмоток соединены. 1742988 1742988 12 45 Составитель В.Возный Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор М.Демчик Редактор О.Стенина Производственно-издательский комбинат "Патент", r Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 2294 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5
