Устройство для управления мощным полевым транзистором

СОЮЗ СОВЕТСКИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСКИ 1725333 А СПУ БЛИК(9 М 1/О ИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ нзиязь,кеи мсистеры,взи,И а управления мощторами со статиче), состоящие из ющего и отпираюлючение СИТ проестны устроиств олевыми транзис ндукцией (СИТ ователей запира пряжений, перек ыми кой орм щего ОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Киевский научно-исследовательский институт радиоизмерительной аппаратуры(56) Устройства энергетической электроники с применением мощных полевых транзисторов. Киев, Институт электродинамикиАН УССР, 1989, с. 3-21, 50, 51, 78-80.Мощные полевые транзисторы в устройствах вторичного электропитания. Киев,1989, с. 11-18,Импульсные свойства мощных полевыхтранзисторов со статической индукцией,Ю.Н,Максименко и др, Электронная техника. сер. 2, Полупроводниковые приборы.1987, вып. 2.Окснер Э.С. Мощные полевые трасторы и их применения. М.: Радио и св1985, с. 98-102, 290-223.Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры/Под ред, НайвельтаГ.С. М,: Радио и связь, 1985, с. 347, 418. зобретение относится к электротехниожет быть использовано в различных мах электропитания радиоаппа ратучислительной техники и средств свя(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 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,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 - нормально открытый прибор с управляющим р-и-переходом и при нулевом напряжении на затворе цепь сток-исток транзистора находится в проводящем состоянии, Перевод последней в непроводящее состояние осуществляется при помощизапирающего напряжения отрицательнойполярности, приклады ваемого между затвором и истоком. 5Формирование запирающего напряжения такими устройствами управления черезразвязывающие трансформаторы приводитк избыточному положительному напряжению на затворе мощного полевого транзистора, для ограничения которогонеобходимо применять специальные меры.Традиционные способы ограничения положительного напряжения на затворе мощного полевого транзистора приводят к росту 15энергетических потерь на управление, увеличению полного сопротивления в цепи затвора, что в свою очередь ограничиваетсверху диапазон рабочих частот мощных полевых транзисторов применяемых в высокочастотных преобразователях напряжения.Устройства управления мощными полевыми транзисторами, используемые в мостовых и полумостовых высокочастотныхпреобразователях напряжения, формируют 25отпирающие и запирающие импульсы вформе меандра, амплитудой 10 - 25 В в зависимости от типа полевого транзистора.Для эффективного отпирания таких транзисторов, когда сопротивление сток-исток достигает 0,1-0,05 Ом, достаточно к затворуприложить положительное напряжение 0,61,0.В, а для надежного запирания - отрицательное напряжение 10-25 В.Ввиду того, что мощность управления 35мощным полевым транзисторомРупр = Свх О Г,2где Свх - эффективная емкость с учетомэффекта Миллера;О - напряжение управления; 40Е - частота переключения,то формирование избыточного положительного напряжения приводит к росту мощности управления, часть которой используетсядля переключения транзисторов, другая 45часть выделяется в виде тепла на управляющих ключах и ограничителе отпирающеготока в цепи затвора.Учитывая, что мощные полевые транзисторы имеют значительные входные емкости, поэтому обычно стремятся уменьшитьпостоянную времени входной цепи транзистора с тем чтобы повысить быстродействиев режиме переключения, при этом длительность фронтов запирающих и отпирающих 55импульсов 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 затвора1 ф=г,г вс.где В - 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-эмит55 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 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 на затворе такого напряжения позволяетисключить ограничитель отпирающего токаи, тем самым, уменьшить постоянную времени входной цепи транзистора. Это позволяет уменьшить постоянную временивходной цепи и увеличить сверху диапазонрабочих частот.На фиг. 1 представлена электрическаясхема устройства управления; на фиг. 2 -график зависимости напряжения от времени,Устройство содержит генератор 1 управляющих импульсов, подключенный кпервичной обмотке развязывающего трансформатора 2, один вывод вторичной обмотки 3 подключен через ограничительныйрезистор 4 к к база-эмиттерному переходузапирающего транзистора 5, эмиттер которого подключен к запускающему резистору6, второму выводу вторичной обмотки 3, затвору транзистора 7 и к коллектору отпирающего транзистора 8, база которого черезограничительный резистор 9 подключена квыводу вторичной обмотки 10, второй выводкоторой подключен к эмиттеру транзистора8, который подключенк плюсу источника 11,минус которого подключен к резистору 6 иколлектору транзистора 5 и подключен кограничителю отпирающего напряжения12, конденсатору 13 и катоду диода 14, анодкоторого подключен к вторичной обмотке15, второй вывод которой подключен к конденсатору 13, ограничителю отпирающегонапряжения 12, минусу источника 16 питания и к истоку транзистора 7, сток которогочерез нагрузочный резистор 17 подключенк плюсу источника 16 питания.В качестве. генератора управляющихимпульсов может быть использован задающий генератор прямоугольного напряжения с паузой на нуле.В качестве опережающего источникаотрицательного 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 управленияреализовано на биполярных транзисторахтипа КТ 626 и работает следующим образом.В начальный. момент времени между затвором и истоком транзистора 7 от источника 11 через резистор 6 приложенозапирающее напряжение (фиг,2, Ози), поэтому транзистор 7 закрыт и напряжение наего стоке Оси равно напряжению источникапитания 16 Оп (фиг. 2, Оси), С приходом импульсов управления от генератора 1 на вторичных обмотках трансформатора 21725333 45 50 55 наводятся импульсы управления Оз, О 10, Ов, приведенные на фиг. 2, которые запирают транзистор 5 и отпирают транзистор 8. С вторичной обмотки 15 импульсы через диод 14 заряжают конденсатор 13 до напряжения Оотл, которое через открытый транзистор 8 прикладывается к затвору транзистора 7. Входная емкость Свх транзистора 7 перезаряжается до положительного напряжения, он открывается и насыщается током, ограниченным напряжением Ози транзистора 7 и нагруэочным резистором 17. При этом напряжение на стоке открытого транзистора 7 достигает Оост. 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, Значениеограничителяотпирающего напряжения 12 выбирается так, чтобы напряжение Ози 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 изобретения1. 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 обмоткачерез 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 источникомположительного отпирающего напряжения, запускающим резистором и опережающим источником отрицательного напряжения, минусовой вывод которого подключен к кол лектору запирающего транзистора непосредственно и к эмиттеру через запускающий резистор, а плюсовой вывод подключен к змиттеру отпирающего транзистора и к плюсовому выводу источника по 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 е с я тем, что развязывающий трансформаторснабжен дополнительной вторичной обмоткой, а источник положительного отпираю- щего напряжения выполнен на дополнительной вторичной обмотке развя 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 сиФог.гСоставитель Ю.Артюшенкоедактор С.Патрушева Техред М.Моргентал Корректор И.Муск Заказ 1182 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101