Транзисторный ключ

 

Изобретение относится к полупроводниковым переключающим элементам и может быть использовано в различных радиотехнических и электротехнических устройствах, например в устройствах автоматики. В транзисторном ключе (регенеративном) достигается повышение надежности и расширение области применения. Устройство содержит два транзистора, пять диодов, четыре резистора, два конденсатора и два трансформатора тока с первичными и вторичными обмотками. За счет введения второго трансформатора тока, резистора, цепочек из последовательно соединенных диодов и конденсаторов, зашунтированных цепочками из последовательно соединенных диода и резистора, достигается цель изобретения. Вновь введенные элементы включены таким образом, что в транзисторном регенеративном ключе реализуется эмиттерная коммутация силовых транзисторов и пропорционально-токовое управление, обеспечивается обратная связь по току одновременно для силовых и управляющих транзисторов, в результате чего повышается быстродействие и исключается опасность вторичного пробоя в силовых транзисторах. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к полупроводниковым переключающим элементам и может быть использовано в различных радиотехнических и электротехнических устройствах, например в устройствах автоматики, а также в качестве силовых переключающих элементов в полупроводниковых преобразователях напряжения.

Известны транзисторные ключи, содержащие силовой и управляющие транзисторы, а также клеммы для подключения цепи питания и нагрузки [1]. К недостаткам таких транзисторных ключей относится зависимость КПД от тока нагрузки и ограниченное быстродействие, а также сравнительно низкая надежность, особенно при высоких питающих напряжениях, и необходимость использования для управления специальных источников сигнала, что ограничивает область их применения.

Наиболее близким к предлагаемому является транзисторный ключ, содержащий силовой и управляющий транзисторы, трансформатор тока, а также клеммы для подключения цепи питания и нагрузки [2]. Этот транзисторный ключ имеет сравнительно высокий КПД за счет использования пропорционально-токового управления. Однако такой транзисторный ключ имеет ограниченное быстродействие, а также сравнительную низкую надежность, особенно при высоких питающих напряжениях. В последнем случае необходимо использовать дополнительные элементы для формирования траектории переключения силового транзистора, потери в которых снижают КПД устройства. Кроме того, затруднено интегральное исполнение такого транзисторного ключа. Все это ограничивает область применения.

Целью изобретения является повышение надежности и расширение области применения.

Цель достигается тем, что в транзисторный ключ, содержащий силовой и управляющий транзисторы, трансформатор тока, а также клеммы для подключения цепи питания и нагрузки, введены второй трансформатор тока, резистор, цепочка из последовательно соединенных диодов и два конденсатора, каждый из которых зашунтирован цепочкой из последовательно соединенных диода и резистора, причем между клеммами для подключения цепи питания и нагрузки последовательно включены соответственно силовой и управляющие транзисторы, первые обмотки первого и второго трансформаторов тока, при этом вывод первой обмотки первого трансформатора тока, соединенный с управляющим транзистором, объединен с первыми выводами вторых обмоток первого и второго трансформаторов тока, вторые выводы которых подключены соответственно через первый и второй конденсаторы к управляющему входу соответственно управляющего и силового транзисторов, управляющий вход силового транзистора подключен через резистор к клемме для подключения цепи питания, а через цепочку из последовательно соединенных диодов - к точке соединения первой обмотки первого трансформатора тока с первыми выводами вторых обмоток первого и второго трансформаторов тока.

В транзисторный регенеративный ключ введены силовой и управляющие транзисторы обратной по отношению к первым проводимости, второй резистор, вторая цепочка из последовательно соединенных диодов, а также третий и четвертый конденсаторы, каждый из которых зашунтирован цепочкой из последовательно соединенных диода и резистора, причем вторые силовой и управляющий транзисторы соответственно включены последовательно между клеммой для подключения второй цепи питания и первым управляющим транзистором со стороны его соединения с выводом первой обмотки первого трансформатора тока, при этом точка соединения первого конденсатора с вторым выводом второй обмотки первого трансформатора тока соединена через третий конденсатор с управляющим входом второго управляющего транзистора, точка соединения второго конденсатора с вторым выводом второй обмотки второго трансформатора тока соединена через четвертый конденсатор с управляющим входом второго силового транзистора, управляющий вход второго силового транзистора подключен через второй резистор к клемме для подключения второй цепи питания, а через вторую цепочку из последовательно соединенных диодов - к точке соединения первой обмотки первого трансформатора тока с первыми выводами вторых обмоток первого и второго трансформаторов тока и первой цепочкой из последовательно соединенных диодов.

В транзисторный регенеративный ключ введен дополнительный резистор, включенный последовательно между управляющим транзистором и точкой соединения первой обмотки первого трансформатора тока с первыми выводами вторых обмоток первого и второго трансформаторов тока и цепочкой из последовательно соединенных диодов.

В транзисторный регенеративный ключ введен дополнительный резистор, включенный последовательно между точкой соединения первого и второго управляющих транзисторов и точкой соединения первой обмотки первого трансформатора тока с первыми выводами вторых обмоток первого и второго трансформаторов тока и с первой и второй цепочками из последовательно соединенных диодов.

В транзисторном регенеративном ключе первый и второй трансформаторы тока конструктивно объединены и выполнены на двух тороидальных магнитных сердечниках, при этом на первом из них намотана вторая обмотка первого трансформатора тока, а на втором - вторая обмотка второго трансформатора тока, причем общая обмотка, являющаяся первой обмоткой первого и второго трансформаторов тока, охватывает одновременно два тороидальных магнитных сердечника.

В транзисторном регенеративном ключе реализуется режим эмиттерной коммутации и пропорционально-токового управления силовыми транзисторами, обеспечивается отрицательная обратная связь по току одновременно для силовых и управляющих транзисторов. Вторые обмотки трансформатора тока одновременно управляют первыми и вторыми соответственно управляющими и силовыми транзисторами. Повышается быстродействие и исключается опасность режима вторичного пробоя в транзисторном регенеративном ключе.

Все это позволяет повысить надежность и расширить область применения транзисторного регенеративного ключа. Таким образом, предложенное техническое решение соответствует критерию изобретения "новизна".

Транзисторные регенеративные ключи с такими техническими свойствами авторам неизвестны, поэтому объект изобретения, охарактеризованный заявленной совокупностью признаков, соответствует критерию "существенные отличия".

На фиг.1,2 приведены примеры конкретной реализации транзисторного регенеративного ключа; на фиг.3 - пример выполнения трансформаторов тока.

Транзисторный регенеративный ключ (см.фиг.1) содержит силовой 1 и управляющий 2 транзисторы, трансформатор 3 тока, а также клеммы для подключения цепи питания 4 и нагрузки 5, второй трансформатор 6 тока, резистор 7, цепочку из последовательно соединенных диодов 8-10 и два конденсатора 11, 12, каждый из которых зашунтирован цепочкой из последовательно соединенных диодов 13, 14 и резисторов 15, 16. Между клеммами для подключения цепи питания 4 и нагрузки 5 последовательно включены соответственно силовой 1 и управляющий 2 транзисторы, первые обмотки 17, 18 первого 3 и второго 6 трансформаторов тока. Вывод первой обмотки 17 первого трансформатора 3 тока объединен с первыми выводами вторых обмоток 19, 20 первого 3 и второго 6 трансформаторов тока, вторые выводы которых подключены соответственно через первый 11 и второй 12 конденсаторы к управляющему входу соответственно управляющего 2 и силового 1 транзисторов. Управляющий вход силового транзистора подключен через резистор 7 к лемме 4 для подключения цепи питания, а через цепочку из последовательно соединенных диодов 8-10 - к точке соединения первой обмотки 17 первого трансформатора 3 тока с первыми выводами вторых обмоток 19, 20 первого 3 и второго 6 трансформаторов тока. Дополнительный резистор 21 включен последовательно между управляющим транзистором 2 и точкой соединения первой обмотки 17 первого трансформатора 3 тока с первыми выводами вторых обмоток 19, 20 первого 3 и второго 6 трансформаторов тока и цепочкой из последовательно соединенных диодов 8-10. На виг.1 пунктиром показан вариант подключения нагрузки R_н к транзисторному регенеративному ключу.

Транзисторный регенеративный ключ (см.фиг.2) содержит вторые силовой 22 и управляющий 23 транзисторы обратной по отношению к первым (1,2) проводимости, второй резистор 24, вторую цепочку из последовательно соединенных диодов 25-27, а также третий 28 и четвертый 29 конденсаторы, каждый из которых зашунтирован цепочкой из последовательно соединенных диодов 30, 31 и резисторов 32, 33. Вторые силовой 22 и управляющий 23 транзисторы соответственно включены последовательно между клеммой 34 для подключения второй цепи питания и первым управляющим транзистором 2 со стороны его соединения с выводом первой обмотки 17 первого трансформатора 3 тока. Точка соединения первого конденсатора 11 с вторым выводом второй обмотки 19 первого трансформатора 3 тока соединена через третий конденсатор 28 с управляющим входом второго управляющего транзистора 23, а точка соединения второго конденсатора 12 с вторым выводом второй обмотки 20 второго трансформатора 6 тока соединена через четвертый конденсатор 29 с управляющим входом второго силового транзистора 22. Управляющий вход второго силового транзистора 22 подключен через второй резистор 24 к клемме 34 для подключения второй цепи питания, а через вторую цепочку из последовательно соединенных диодов 25-27 к точке соединения первой обмотки 17 первого трансформатора тока 3 с первыми выводами вторых обмоток 19, 20 первого 3 и второго 6 трансформаторов тока и первой цепочкой из последовательно соединенных диодов 8-10. Дополнительный резистор 21 включен последовательно между точкой соединения первого 2 и второго 23 управляющих транзисторов и точкой соединения первой обмотки 17 первого трансформатора 3 тока с первыми выводами вторых обмоток 19, 20 первого 3 и второго 6 трансформаторов тока и с первой 8-10 и второй 25-27 цепочками из последовательно соединенных диодов. На фиг.2 пунктиром показан вариант подключения нагрузки R_н к транзисторному регенеративному ключу.

Нам фиг.1, 2 пунктиром показано подключение к транзисторному регенеративному ключу задающего генератора 35, который может быть подключен к одной из обмоток одного из трансформаторов 3, 6 тока. В данном случае он подключен к дополнительной обмотке 36. Задающий генератор 35 может выполняться по любой из известных схем, например, по схеме автогенератора с магнитными связями.

На фиг.3 приведен пример выполнения трансформатора 3 и 6 тока, которые конструктивно объединены и выполнены на двух тороидальных магнитных сердечниках 37, 38. На первом 37 из них намотана вторая обмотка 19 первого трансформатора 3 тока, а на втором 38 - вторая обмотка 20 второго трансформатора 6 тока. Общая обмотка (17+18), являющаяся первой обмоткой 17 и 18 первого 3 и второго 6 трансформаторов тока, охватывает одновременно два тороидальных магнитных сердечника 37,38.

Транзисторный регенеративный ключ работает следующим образом.

Рассмотрим процессы, происходящие в транзисторном регенеративном ключе, на примере конкретной реализации (фиг.1). При подаче на клемму 4 напряжения питания U_пит начинает заряжаться конденсатор 12 по цепи +U_пит, клемма 4, резистор 7, конденсатор 12, вторая обмотка 20 трансформатора 6 тока, первые обмотки 17, 18 трансформаторов 3,6 тока, клемма 5, нагрузка R_н, -U_пит. Напряжение заряда конденсатора 12 ограничивается напряжением на прямовключенных и последовательно соединенных диодах 8-10. Величина этого напряжения составляет n ˙ U_дпр, где n - количество последовательно соединенных диодов; U_дпр- прямое падение напряжения на диодах 8-10. При этом ограничивается напряжение на закрытом управляющем транзисторе 2. Заряд конденсатора 12 заканчивается через время, определяемое следующим соотношением: t = · R₇·C₁₂ По окончании этого интервала времени на одну из обмоток, например на обмотку 19 или на дополнительную обмотку 36, как показано на фиг.1, трансформатора 3 тока подается управляющее напряжение от внешнего задающего генератора 35. При этом управляющий транзистор 2 открывается и конденсатор 12 разряжается по цепи базо-эмиттерный переход силового транзистора 1, управляющий транзистор 2, резистор 21, вторая обмотка 20 трансформатора 6. Силовой транзистор 1 также открывается, и начинает протекать ток по цепи +U_пит, силовой транзистор 1, управляющий транзистор 2, резистор 21, первые обмотки 17, 18 трансформаторов 3, 6 тока, нагрузка R_н, U_пит. Протекающий ток наводит в обмотках 19, 20 трансформаторов 3 и 6 тока положительные напряжения, приводящие к возникновению положительной обратной связи как для силового транзистора 1 (по цепи вторая обмотка 20 трансформатора 6 тока, резистор 16, диод 14), так и для управляющего транзистора 2 (по цепи вторая обмотка 19 трансформатора 3 тока, резистор 15, диод 13). Возникает регенеративный процесс, при котором силовой 1 и управляющий 2 транзисторы входят в режим насыщения, который обеспечивается соотношением витков вторых 20, 19 и первых 18, 17 обмоток трансформаторов 6, 3 тока. Обычно выбирают ≈ ; ≈ , где W₁₇, W₁₈, W₁₉, W₂₀ - число витков обмоток 17, 18, 19, 20.

Резистор 21 является общим резистором для линейной токовой обратной связи как для силового 1, так и для управляющего 2 транзисторов. Резисторы 16, 15 исключают влияние разброса параметров транзисторов 1 и 2(Δ U_бэ1, ΔU_бэ2,ΔU_кэ2)и диодов 13,14 (Δ<N>U_дпр13,ΔU_дпр14) на характеристики перемагничивания магнитопроводов трансформаторов 3,6 тока. Для уменьшения массы и габаритов трансформаторов 3, 6 тока необходимо выбирать магнитопроводы, у которых отношение остаточной индукции В_r и индукции насыщения B_δ стремится к нулю (B_r/B_δ->>0). При протекании токов базы силового 1 и управляющего 2 транзисторов на конденсаторе 12 напряжение изменяет свою полярность, а конденсатор 11 заряжается до напряжения U_дпр 13 + U_R15. При подаче от внешнего задающего генератора 35 отрицательного управляющего сигнала управляющий транзистор 2 закрывается суммарным напряжением U₁₁ + U_упр, ток через него, а следовательно, и через силовой транзистор 1 прекращается. Положительная обратная связь разрывается, что определяет окончание блокинг-процесса. При этом эмиттерный ток (ток нагрузки) силового транзистора 1 устремляется через коллекторно-базовый переход силового транзистора 1, цепочку диодов 8-10, первые обмотки 17, 18 трансформаторов 3, 6 тока. Происходит рассасывание коллекторного перехода силового транзистора 1 током коллектора при обрыве эмиттерной цепи, т.е. имеет место эмиттерная коммутация, при которой силовой транзистор 1 рассасывается только по одному переходу. При этом повышается быстродействие и исключается опасность режима вторичного пробоя, а предельное напряжение определяется напряжением коллектор-база силового транзистора U_к.б., повышается надежность работы транзисторного регенеративного ключа. По окончании рассасывания силовой транзистор 1 закрывается и происходит восстановление рабочей точки перемагничивания (режим скатывания) от В_р(рабочая индукция) до B_r (обычно выбирается магнитопровод с B_r/B_δ->> 0).

Режим работы комплементарного транзисторного регенеративного ключа (см. фиг.2) отличается лишь тем, что силовые 1,22 и управляющие 2,23 транзисторы работают в противофазе. При этом процессы, происходящие в резисторах 7 и 14, 16 и 33, 15 и 32, в конденсаторах 12 и 19, 11 и 28, в диодах 14 и 31, 13 и 30, 8-10 и 25-17, одинаковы и противофазны. Резистор 21 является общим резистором для линейной токовой обратной связи как для силовых 1,22, так и управляющих 2,23 транзисторов. Режим перемагничивая магнитопроводов трансформаторов 3,6 тока в схеме на фиг.2 симметричный. Причем симметрия перемагничивания будет обеспечиваться за счет исключения влияния разбросов параметров транзисторов 2,22, 23 и диодов 13,14,30,31 введением резисторов 15,16,32,33,21.

В транзисторном регенеративном ключе (см. фиг.1,2) транзисторы тока могут быть конструктивно объединены и выполнены на двух тороидальных магнитных сердечниках 37, 38, как показано на фиг.3. При этом уменьшаются суммарные масса и габариты трансформаторов 3,6, уменьшаются почти в 2 раза потери мощности в их первых обмотках 17,18, в качестве которых используется одна общая обмотка. Снижается расход обмоточных проводов, уменьшается суммарное количество выводов у трансформаторов 3,6 тока, а также количество их паек в схеме. Все это способствует повышению надежности и расширению области применения транзисторного регенеративного ключа.

Для повышения быстродействия и устранения несимметрии целесообразно при выборе силовых и управляющих транзисторов в транзисторном регенеративном ключе исходить из условия: f _T2(23) ≥ 5 f _T1(22). где f _Т2(23), f _Т1(22) - граничная частота передачи тока управляющего 2 (23) и силового 1(22) транзисторов. В качестве управляющих транзисторов 2 и 23 на фиг.1 и 2 могут использоваться полевые транзисторы, что способствует повышению быстродействия схемы.

Наиболее целесообразно структуру транзисторного регенеративного ключа выполнять в едином технологическом процессе, причем (см.фиг.1) диод 14, транзисторы 1,2, резистор 21, диод 13, диоды 8-10 выполняются в единой полупроводниковой структуре. Аналогично возможно и выполнение комплементарного транзисторного регенеративного ключа на фиг.2.

Таким образом, предложенное техническое решение сравнительно простое, повышает быстродействие и исключает опасность режима вторичного пробоя, легко реализуется по существующей технологии изготовления п-р-структур и биполярных транзисторов. При этом повышается надежность и расширяется область применения транзисторного регенеративного ключа.

Предложенное техническое решение было проверено. Комплементарный транзисторный регенеративный ключ на фиг.2 был реализован на транзисторах типа: 1-КТ854А, 2-КТ997А, 3-аналог КТ842, 4-КТ912ОА. Основные технические характеристики транзисторного регенеративного ключа: частота коммутации -50 кГц. скважность работы -0,5; коммутируемый ток -3А; напряжение питания -300В. время включения -50 нс; время рассасывания - 430 нс; время спада -120 нс. По сравнению с базовым объектом предложенное техническое решение имеет меньшее время рассасывания на 1,87 мкс и время спада на 0,58 мкс. Кроме того, рассасываемая мощность в предложенном техническом решении меньше на 1,5 Вт, в нем обеспечиваются необходимые траектории переключения транзисторов, уменьшена вероятность вторичного пробоя силовых транзисторов.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет повысить надежность и расширить области применения транзисторного регенеративного ключа.

Формула изобретения

1. ТРАНЗИСТОРНЫЙ КЛЮЧ, содержащий силовой и управляющий транзисторы, трансформатор тока, а также клеммы для подключения цепи питания и нагрузки, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и расширения области применения, введены второй трансформатор тока, первый резистор, цепочка из последовательно соединенных диодов и два конденсатора, каждый из которых зашунтирован цепочкой из последовательно соединенных диода и второго резистора, причем между клеммами для подключения цепи питания и нагрузки последовательно включены соответственно силовой и управляющий транзисторы, первичные обмотки первого и второго трансформаторов тока, при этом вывод первичной обмотки первого трансформатора тока, соединенный с управляющим транзистором, объединен с первыми выводами вторичных обмоток первого и второго трансформаторов тока, вторые выводы которых подключены соответственно через первый и второй конденсаторы к управляющему входу соответственно управляющего и силового транзисторов, кроме того, управляющий вход силового транзистора подключен через первый резистор к клемме для подключения цепи питания, а через цепочку из последовательно соединенных диодов - к точке соединения первичной обмотки первого трансформатора тока с первыми выводами вторичных обмоток первого и второго трансформаторов тока.

2. Ключ по п.1, отличающийся тем, что введены вторые силовой и управляющий транзисторы обратной по отношению к первым проводимости, третий резистор, вторая цепочка из последовательно соединенных диодов, а также третий и четвертый конденсаторы, каждый из которых зашунтирован цепочкой из последовательно соединенных диода и четвертого резистора, причем вторые силовой и управляющий транзисторы соответственно включены последовательно между клеммой для подключения второй цепи питания и силовым выводом первого управляющего транзистора, при этом точка соединения первого конденсатора с вторым выводом вторичной обмотки первого трансформатора тока соединена через третий конденсатор с управляющим входом второго управляющего транзистора, а точка соединения второго конденсатора с вторым выводом вторичной обмотки второго трансформатора тока соединена через четвертый конденсатор с управляющим входом второго силового транзистора, кроме того, управляющий вход второго силового транзистора подключен через третий резистор к клемме для подключения второй цепи питания, а через вторую цепочку из последовательно соединенных диодов - к точке соединения первичной обмотки первого трансформатора тока с первыми выводами вторичных обмоток первого и второго трансформаторов тока и первой цепочкой из последовательно соединенных диодов.

3. Ключ по п.1, отличающийся тем, что введен дополнительный резистор, который включен последовательно между управляющим транзистором и точкой соединения первичной обмотки первого трансформатора тока с первыми выводами вторичных обмоток первого и второго трансформаторов тока и цепочкой из последовательно соединенных диодов.

4. Ключ по п.2, отличающийся тем, что введен дополнительный резистор, который включен последовательно между точкой соединения первого и второго управляющих транзисторов и точкой соединения первичной обмотки первого трансформатора тока с первыми выводами вторичных обмоток первого и второго трансформаторов тока и с первой и второй цепочкой из последовательно соединенных диодов.

5. Ключ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что первый и второй трансформаторы тока конструктивно объединены и выполнены на двух тороидальных магнитных сердечниках, при этом на первом из них намотана вторичная обмотка первого трансформатора тока, а на втором - вторичная обмотка второго трансформатора тока, причем общая обмотка, являющаяся первичной обмоткой первого и второго трансформаторов тока, охватывает одновременно два тороидальных магнитных сердечника.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3