Транзисторный ключ

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 17 6 1)5 Н САНИ ОБ Т В 2 Всесоюзного на нститута желез 48) авюй ( ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ С(56) 1. Патент ЕПВ М 018кл. Н 03 К 17/56, 1986.2. Патент Японии М 6кл. Н 03 К 17/60, 1987. Изобретение относится к импульсной технике, а именно к устройствам коммутации сильноточных электрических сигналов, и может быть использовано в устройствах электропривода и преобразователях энергии постоянного напряжения,Известны транзисторные ключи с применением полевого демпфирующего транзистора, включенного параллельно силовому биполярному, где управление биполярным транзистором осуществляется через последовательно включенные в его базовую цепь стабилитрон и диоды 11. Задержка выключения полевого транзистора относительно силового обеспечивается тем, что базовый ток биполярного транзистора прекращается раньше, чем напряжение на входе полевого транзистора достигнет порогового уровня, когда он начнет запираться, Для реализации этого свойства схемы требуется иметь определенную длительность спада напряжения импульсов управления при выключении транзисторного 760629 А 1(57) Изобретение относится к импульсной технике, а именно к устройствам коммутации сильноточных электрических сигналов, и может быть использовано в устройствах электропривода и преобразователях энергии постоянного напряжения, Сущность изобретения - устройство содержит биполярные транзисторы 1, 7, полевой транзистор 3, диод 5, резисторы 4, 6, 9, 10, конденсатор 8, нагрузку 2. 2 з.п. ф-лы, 3 ил. ключа, которая, в конечном итоге, и определяет задержку на выключение полевого транзистора, Это является недостатком транзисторного ключа, так как приводит к нестабильной работе в условиях воздействия эксплуатационных факторов - изменения температуры окружающей среды, напряжения питания схемы управления, а также при разбросе параметров элементов схемы. Кроме того, быстродействие ключа невысоко, так как принятие мер по форсированному рассасыванию заряда изполупроводниковой структуры насыщенного биполярного транзистора затруднительно из-за влияния на время задержки выключения полевого транзистора параметров импульсов управления.Лучшими характеристиками обладает транзисторный ключ, в котором время задержки выключения полевого транзистора в значительно меньшей степени зависит от параметров сигналов управления и от характеристик элементов 2. Это устройствог О 10 15 0 35 40 45 50 является наиболее близким по технической сущности и схемной реализации к предлагаемому ключу. Задержка управляющего сигнала на выключение полевого транзистора здесь выполняется цепью, состоящей из индуктивности и конденсатора. Недостатком этого транзисторного ключа является то, что при изменении характеристик силового биполярного транзистора, в частности времени рассасывания зарядов из его полупроводниковой структуры в насыщенном состоянии, задержка на выключение полевого транзистора не изменяется. Это приводит к ненадежной работе силового оиполярного транзистора и к ограничению на быстродействие транзисторного ключа, так как в этих условиях приходится реализовывать задержку с достаточно большим запасом по времени. Кроме того, использование индуктивного элемента препятствует микроминиатюризации гранзисторного ключа и исполнению его в виде монолитной или гибридной ИС,Целью изобретения является повышение быстродействия транзисторного кл оча и надежности работы,На фиг. 1, 2 и 3 приведены схемы транзисторного ключа, соответствующие пунктам 1, 2 и 3 формуль изобретения,Транзисторный ключ по схеме фиг, 1 содержит силовой биполярный ранзистор 1, коллектор которого через нагрузку 2 под. ключен к положительной шине источника ПИтаНИЯ Ел, а ЭМИттЕР - К ЕГО ОтРИЦатЕЛЬНОй шине (общему полюсу), Параллельно коллектору и эмиттеру транзистора 1 вклю ,ень сток и исток демпфирующего полевого транзистора 3 соответственно, Источник импульсов управления Оу соединен через первый резистор 4 с базой транзистора 1, а через диод 5 и второй резистор 6 с затвором полевого транзистора 3 и с коллектором шунтирующего биполярного транзистора 7, эмиттер которого подключен к источнику транзистора 3, Замедляющий конденсатор 8, подключенный параллельно затвору и истоку транзистора 3, в общем случае может отсутствовать, его функцию может выполнять входная емкость полевого транзистора 3, База транзистора 7 через ограничивающий резистор 9 соединена с коллектором силового транзистора 1 и через базовый резистор 10 - с его эмиттером,Схема транзисторного ключа по фиг. 2 содержит следующие элементы (кроме описанных). Между коллектором силового транзистора 1 и ограничивающим резистором 9 включен третий резистор 11, а к точке соединения этих резисторов подключен катод стабилитрона 12, анод которого соединен с эмиттером транзистора 7,Схема транзисторного ключа по фиг. 3 кроме описанных содержит следующие элементы. База и эмиттер шунтирующего транзистора 7 подключены соответственно к коллектору и эмиттеру управляющего биполярного транзистора 13, база которого соединена со средней точкой делителя напряжения, состоящего из последовательно соединенньх пятого и шестого резисторов 14 и 15, а крайние выводы делителя поДключены к катоцу ДиОДа 5 и к истоку полевого транзистора 3.Транзисторный ключ по схеме фиг. 1 работает следующим образом,На вход схемы подаются разнополярные импульсь: управления у, Положительный импульс соо ветствует О;к ытому состоянию ключа, а отрицательнь:й - закры- тому При подаче положительного импульса О, появляется открьвающий базовый ток силового транзистора 1, ограничиваемый резистором 4. О "новременно с этим через :;ио 5 и рези тор 6 на затвор полевого транзистора 3 погтупает положительное наф ние г а Оа зистОРа -и 3 откРываются и в на-рузк, 2 начинает поступать ток,Ранее, когда транз,:С 1 ор 1 бь л запегпр-"и рующм тр. н зисто р" . цл Открыт базо-пкпм прс 1 ру Ю им а, раз, ззс гар КСГДа ГОЗНЗИСТСО 1 ОТКРЬаЕТСЯ,О ТРаНЗИ стоо 7 запирается так;ак падение напряжения на силовых биполярньх транзисторах в открытом состоянии (на переходе коллектор в эмитт обычно мало и недост-точно Для пОДДержания транзисгорд 7 в открытом состоянии. Таким образом, когда транзистоОы 1 и 3 Орты, тразистор 7 зандер,По окончании действия положительного импульса 1 у при поступлении отрицатель-,го импульса напряжения начинается этап рассасывания зарядов из полупроводниковой структуры насы,ценного силового биполярного транзистора 1, Рассасывающий ток его базы определяется резистором 4, Демпфирующий транзистор 3 в это время все еще открыт, так как, несмотря на отсутствие положительного напряжения на аноде диода 5, напояжение на затворе транзистора 3 остается примерно на том же уровне за счет заряда, накопленного на конденсаторе 8, В общем случае функции этого конденсатора может выполнять входная емкость затвор - исток полевого транзистора 3. По окончании процессов рассасывания насыщенного транзистора 1 начинается процесс его запирания. Напряжение на его коллекторе увеличивается. Верхний предел увеличениянапряжения ограничивается падением напряжения на открытом транзисторе 3 (напряжение сток - исток). Современные силовые высоковольтные полевые транзисторы обладают существенным падением напряжения в открытом состоянии. Обычно это напряжение лежит в пределах 3 - 5 В или превышает эти значения. Когда напряжение на коллекторе транзистора 1 достигнет этой величины, включается транзистор 7, чем шунтируется вход транзистора 3 и форсированно разряжается конденсатор 8. После снижения напряжения на этом конденсаторе до значения порогового напряжения выключения транзистора 3 последний выключается, Для надежного согласования уровня напряжения на закрытом транзисторе 1 и открытом транзисторе 3 требуется соответствующий выбор величин резисторов 9 и 10. После запирания транзистора 3 схема приходит в исходное состояние. Далее процессы повторяются аналогично.Таким образом, в рассматриваемом транзисторном ключе формирование процесса запирания демпфирующего полевого транзистора 3 происходит только по окончании процессов рассасывания зарядов из полупроводниковой структуры насыщенного биполярного силового транзистора 1, т,е. после начала его фактического запирания.Транзисторный ключ по схеме фиг. 2 отличается тем, что в базовую цепь шунтирующего транзистора 7 введен нелинейный ограничивающий элемент - стабилитрон 12, который препятствует чрезмерному увеличению тока базы шунтирующего транзистора 7 после запирания полевого транзистора 3, когда напряжение на нем и на коллекторе транзистора 1 увеличивается до нескольких сотен вольт, При этом ограничение тока через стабилитрон 12 выполняется резистором 11. Когда напряжение на коллекторе транзистора 1 мало и не превышает напряжения включения стабилитрона 12, то эта цепь не влияет на работу транзистора 7, Таким образом, уменьшается диапазон изменения базового тока транзистора 7, чем повышается надежность его работы. Транзисторный ключ по схеме фиг. 3 отличается тем, что к моменту включения полевого транзистора 3 положительным импульсом сигнала управления Оу шунтирующий транзистор 7 запирается, В это время включается управляющий транзистор 13, препятствуюший появлению базового тока транзистора 7. Этим как уменьшается мощность, потребляемая на открывание полевого транзистора 3, так. и повышается надежность работы транзистора 7, так как с5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 приходом положительного импульса Оу транзистор 7 оказывается запертым,Следовательно, как показывает рассмотрение работы приведенных схем, введение шунтирующего транзистора 7, управляемого от напряжения на коллекторно-эмиттерном переходе транзистора 1, дает возможность реализовать задержку выключения полевого транзистора 3, которая реально отслеживает состояние силового транзистора 1 и изменяется при изменении времени рассасывания последнего. Этим как повышается надежность работы ключа, так и увеличивается его быстродействие. Введение стабилитрона 12 позволяет снизить диапазон изменения базового тока транзистора 7, чем повышается надежность его работы. Введение управляющего транзистора 13 дает возможность ослабить шунтирующее действие транзистора 7 во время этапа открывания полевоготранзистора 3, чем повышается эффективность работы транзисторного ключа.Формула изобретения 1, Транзисторный ключ, содержащий силовой биполярный транзистор, коллектор которого подключен к первому выводу нагрузки и к стоку полевого демпфирующего транзистора, исток которого соединен с эмиттером силового транзистора и с отрицательной шиной источника питания, положительная шина которого подключена к второму выводу нагрузки, а база силового транзистора через первый резистор соединена с источником импульсов управления, причем параллельно затвору и истоку демпфирующего транзистора подключен замедляющий конденсатор, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения быстродействия, введены шунтирующий биполярный транзистор, три резистора и диод, коллектор и эмиттер шунтирующего транзистора подключены к затвору и истоку демпфирующего транзистора соответственно, затвор последнего через второй резистор соединен с катодом диода, анод которого подключен к источнику импульсов управления, а база шунтирующего транзистора. через ограничивающий резистор соединена с коллектором силового транзистора и через базовый резистор - с эмиттером шунтирующего транзистора.2, Ключ поп.1,отличаю щи йс ятем, что, с целью повышения надежности в работе, введены стабилитрон и четвертый резистор, анод которого подключен к эмиттеру шунтирующего транзистора, а катод - к точке соединения ограничивающего резистора и четвертого резистора, другие выводы которых подключены к базе шунтирующего иколлектору силового транзисторов соответственно.3. Ключ по и. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения надежности в работе, введены усилитель напряжения и управляющий биполярный транзистор, коллектор и эмиттер которого соединены с базой и эмиттером шунтирующего транзистора соответственно, а база - со средней точкой делителя напряжения, состоящего из последовательно соединенных пятого и шестого 5 резисторов, крайние выводы которого подключены к катоду диода и истоку демпфирующего транзистора соответственно.1760629 Составитель В. Сергееведактор М. Стрельникова Техред М.Моргентал Корректор Т, Пал Производственно-издательский ко нат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 1 Заказ 3192 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5