Силовой транзисторный ключ

 

Изобретение относится к элементам силовых транзисторных преобразователей параметров электрической энергии и может быть использовано для создания источников вторичного электропитания с высокой надежностью и эффективностью. Транзисторный ключ содержит 4 транзистора (1,2, 3,4), 2 резистора (7,8) 1 диод (9), 2 источника напряжения (5, 6). 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 03 К 17/60

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4935751/21 (22) 05,04.91 (46) 23,05.93; Бюл, М 19 (71) Институт электродинамики. AH УССР (72) Н.С.Комаров, В,B,Màðòûèîâ и В.А.Сала цкий (56) Авторское свидетельство СССР

N 1458970, кл. Н 03 К 17/60, 1989.

Электронная техника в автоматике.

К. 17 ред.Ю.Конев.M.: Радио и связь, 1986, с.190.

1817236А! (54) СИЛОВОЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ КЛЮЧ (57) Изобретение относится к элементам силовых транзисторных преобразователей параметров электрической энергии и может быть использовано для создания источников BTopw÷íoÃÎ электропитания с Высокой надежностью и эффективностью. Транзисторный ключ содержит 4 транзистора (1, 2, 3, 4), 2 резистора (7, 8) 1 диод (9), 2 источника напряжения (5, 6). 2 ил, ь

1817236

Изобретение относится к электротехнике, в частности к источникам вторичного электропитания и может быть использовано для питания аппаратуры устройств связи, автоматики и вычислительной техники.

Целью изобретения является повышение КПД и увеличение надежности транзисторного ключа.

На фиг,1 приведена схема предлагаемого технического устройства; на фиг.2 — эпюры токов и напряжений, которые поясняют. работу предлагаемого транзисторного ключа, Как правило, в транзисторных преобразователях нагрузка транзисторных ключей носит активно-индуктивный характер. В этих условиях формирование желаемой траектории включения силового транзистора не вызывает трудностей, так как ток коллектора нарастает плавно, а напряжение на коллекторе почти скачком спадает до нуля.

При включении происходит. минимальное перекрытие нарастающего через коллектор така in спадающего на коллекторе напряжения, что способствует минимальным динамическим потерям и не приводит к локальному перегреву силового транзистора, Кроме того высокой надежности работы транзисторных ключей при включении способствует их повышенная устойчивость к перегрузкам при положительно смещенном эмиттерном переходе.

Наиболее опасным для транзистора является режим выключения индуктивной нагрузки, при котором возникают значительные динамические потери, а траектория переключения принимает наиболее нежелательный вид, что создает предпосылки для вторичного пробоя.

Предлагаемое схемное решение позволяет значительно снизить динамические потери при, выключении силового транзистора, за счет формирования траек-: тории переключения транзистора, при которой он находится в области безопасной работы, Силовой транзисторный ключ содержит два высоковольтных транзистора 1, 2, два управляющих транзистора 3, 4, двухполярный источник питания 5, 6. резистор 7, ограничивающий резистор 8 и диод 9. Коллектор дополнительного транзистора 1 соединен с коллектором силового транзистора 2, эмиттер дополнительного транзистора 1 соединен с коллектором верхнего транзистора управления 3, база дополнительного транзистора 1 соединена с ограничивающим резистором 8 и анодом диода 9, второй вывод ограничивающего резистора 8 соединен с катодом диода 9 и попадает на плюс отпирающего источника напряжения 5. Эмиттер силового транзистора 2 попадает на среднюю точку источников 10, отпирающего 5 и запирающего напряжений 8, база силового транзистора 2 соединена с эмиттерами управляющих транзисторов 3, 4, коллектор нижнего управляющего транзистора 4 соединен с минусом запирающего источника 6, базы управляющих транзисторов 3, 4, сое"0 динены с резистором 7, второй вывод которого подключен к входной клемме 11.

На фиг.2 приведены эпюры, поясняющие работу силового транзисторного ключа.

Схема работает следующим образом, При подаче положительного сигнала управления на входную клемму 11 положительный потенциал через резистор 7 попадает на базы комплиментарной пары управляющих транзисторов 3, 4. Верхний транзистор

20 управления 3 отпирается и замыкает цепь, которая отпирает силовой транзистор" 2.

Ток отпирания протекает от плюса отпирающего источника 5 через ограничивающий резистор 8, эмиттерный переход дополни25 тельного транзистора 1, цепь коллектор эмиттер управляющего транзистора 3, эмиттерный переход силового трэн. истора 2 и замыкается на среднюю точку источников питания 10. Дополнительный транзистор 1

30 представляет собой нелинейную отрицательную обратную связь, которая обеспечивает автоматическое изменение величины базового тока силового транзистора 2 в зависимости от тока нагрузки, то есть вынуж35 дает силовой транзистор 2 работать в ненасыщенном режиме. При увеличении тока нагрузки .к коллекторному переходу дополнительного транзистора 1 прикладывается запирающее напряжение и весь ток

40 базы, а если его недостаточно, то и ток коллектора дополнительного транзистора 1 из силовой цепи поступает в базовую цепь силового транзистора не позволяя ему выйти в активную область.

45 Очевидным преимуществом предлагаемого схемного решения на этапе, когда силовой транзистор отперт, является то, что дополнительный транзистор 1 представляет собой первый каскад усиления составного

50 транзистора. Следовательно, максимальный ток управления необходимый для поддержания силового транзистора 2 в отпертом состоянии при максимальном токе нагрузки существенно меньше тока на55 грузки, что значительно снижает мощность потерь в цепях управления, а следовательно повышает КПД устройства в целом.

При подаче отрицательного сигнала управления на входную клемму 11, отрицательный потенциал через резистор 7

1817236

Силовой транзисторный ключ, содержащий силовой транзистор, два управляющих транзистора, источники атпирающего и запирающего напряжения, резистор, диод, база силового транзистора соединена с эмиттерами управляющих транзисторов, эмиттер силового транзистора — co средней точкой источников отпирающего и запирающего напряжений, а базы управляющих транзисторов соединены с одним из выводов резистора, вторМ вывод которого подключен к входной клемме, коллектор одного иэ управляющих транзисторов подключен к источнику запирающего напряжения. о тпоступает на базы комплиментарной пары управляющих транзисторов 3, 4, запирая верхний транзистор 3 и отпирая нижний транзистор 4. При этом к эмиттерному переходу силового транзистора 2 прикладывает- 5 ся запирающее напряжение. Ток рассасывания силового транзистора 2 протекает по цепи минус запирающего источника напряжения б, цепь коллектор-эмиттер транзистора управления и, база силового 10 транзистора 2 и попадает на среднюю точку источников питания 10. После подачи запирающего напряжения происходит процесс рассасывания заряда в области базы, при котором потенциал коллектора продолжает 15 оставаться низким. Так как отпирающий транзистор управления 3 заперт цепь эмиттера дополнительного транзистора 1 оборвана, ток отпирающего источника протекает через резистор 8 и коллекторный переход 20 дополнительного транзистора 1, На этапе рассасывания силового транзистора 2, коллекторный переход дополнительного транзистора 1 выполняет функцию диода накапливающего заряд непосредственно 25 перед выключением силового транзистора

2. После окончания процесса рассасывания силового транзистора 2 напряжение на его коллекторе нарастает, а ток нагрузки замыкается по цепи коллекторный переход до- 30 полнительного транзистора 1, диод 9, отпирающий источник напряжения 5. Таким образом формируется безопасная траекто. рия выключения силового транзистора 2, так как напряжение на коллекторе нараста- 35 ет при отсутствии тока нагрузки через кол- .. лектор, Отсутствие перекрытия между нарастающим на коллекторе напряжением и спадающим до нуля током нагрузки приводит к значительному снижению динами- 40 ческих потерь.

В предлагаемом схемном решении при использовании в качестве силового 2 и дополнительного 1 транзисторов типа КТ847А, и питании двухполярным источником вели- 45. чиной 7В, оптимальная величина тока управления при токе нагрузки. 12А равна

120мА. При таком токе управления величина накопленного избыточного заряда в каллекторном переходе дополнительного транзи- 50 стара 1 достаточна чтобы пропустить ток нагрузки силового транзистора 2, пока силовой транзистор полностью не выключится и затем за время около 50нс выключит силовой ключ. В качестве управляющих транэи- 55 сторов 3, 4 в предлагаемом схемнам решении используется комплиментарная пара составных транзисторов КТ972А, КТ973А, с большим коэффициентам усиления по току, что позволяет управлять ими . малым током микросхемы порядка 5мА. В схемном решении коллекторы силового 2 и дополнительного 1 транзисторов обьединены, что позволяет конструктивно размещать два транзистора КТ847А на одном радиаторе.

Таким образом введение дополнительного транзистора 1, ограничивающего резистора 8 и использование новых связей позволяет использовать преимущества составного ключа, который обладает значительным коэффициентом усиления по току и тем самым существенно снизить ток управления при значительной коммутируемой выходной мощности. В тоже время предлагаемое решение позволяет избежать таких недостатков составного ключа, как медлеиное запирание силового транзистора 2 и отсутствие формирования безопасной траектории при его выключении;

Эксперименты подтвердили, что при использовании других высоковольтных пар транзисторов в предлагаемом схемнам решении удается сформировать безопасную траекторию выключения силового ключа.

Так при использовании пары на транзисторах КТ838А и КТ839А траектория выключе.ния формируется при таке нагрузки 1А, а на транзистарйай паре КТ828А траектория выключения формировалась при токе нагрузки

4А.

Предложенное техническое решение предлагается использовать в мощных устройствах электропитания, создаваемых в

Институте для ряда заинтересованных предприяттий. Зкономическая эффективность предложенного решения в настоящее время не исчислялась. Технический эффект состоит в повышении КПД и надежности устройства, что позволило создать на существующей элементной базе (транзисторы

2Т847А) силовые высокочастотные транзисторные ключи с рабочим током до 12 А.

Формула и за бре те н и я

1817236

Составитель Н. Комаров

Техред M.Mîðãåíòàë Корректор А,Обруча р

Редактор Т.Иванова

Заказ 173Î Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР .

113635, Москва, Ж-35, Раушская наб.; 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул.Гагарина, 101 л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения КПД и увеличения надежности, введены дополнительный транзистор и ограничительный резистор, коллектор дополнительного транзистора соединен с коллектором силового транзистора, змиттер дополнительного транзистора — с коллектором одного из управляющих транзисторон, база дополнительного транзистора, через ограничительный резистор, парал5 лельно которому подключен диод, соединена с источником отпирающего напряжения.