Мощные электронные ключи с активной обратной связью

УДК 621.318.57

МОЩНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ С АКТИВНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ Ю.Б. Нечаев, С.В. Портных

Работа посвящена повышению быстродействия мощных транзисторных ключей. Описывается возможность применения различного рода обратных связей в мощных транзисторных ключах с целью уменьшения времени переходных процессов, что положительно влияет на КПД устройства и уменьшает генерацию помех. В работе представлена часть результатов исследований, проводимых методом компьютерного моделирования в среде MicroCap 9

Ключевые слова: переходной процесс, активная обратная связь, мощный транзисторный ключ

Обратные связи и их применение в электронной схемотехнике достаточно хорошо изучены и, казалось бы, не могут представлять на сегодняшний день никакого научного интереса. Однако, это справедливо лишь для наиболее часто применяемых пассивных обратных связей, которые обычно представляют собой резистивную, емкостную, или резистивноемкостную связь между входом и выходом устройства, в отличие от активных обратных связей, рассматриваемых в данной работе. Активной обратной связью будем называть схемотехническое решение, содержащее по крайней мере один активный полупроводниковый прибор, позволяющее передавать часть выходного сигнала схемы на ее вход, что положительно влияет на работу схемы [1,2].

Более того, применение каких-либо обратных связей в схемотехнике электронных ключей, в формирователях импульсов где активные элементы (в основном полевые и биполярные транзисторы) работают в существенно нелинейном режиме вообще мало изучено. Отметим, что применение активных обратных связей становится целесообразным как раз в этой области, поскольку, обладая нелинейным характером, такие обратные связи неизбежно будут вносить нелинейные искажения, которые могут оказать положительное влияние на динамику переходных процессов в ключевых схемах, и в тоже время недопустимы в усилительных каскадах, где важна линейность [2].

Для начала рассмотрим обычный ключ на МОП транзисторе. Схема такого ключа, выполненного на п-канальном транзисторе, показана на рис.1. Для запирания ключа на затвор транзистора подается напряжение У&'< и0, где и0 - пороговое напряжение транзистора.

В запертом транзисторе остаточный ток есть обратный ток стокового р-п-перехода, поскольку этот переход работает при обратном смещении, близком к напряжению стока. Следовательно, остаточный ток составляет не более 10-9 -10-10 А (при условии, что поверхность кристалла хорошо обработана и отсутствуют приповерхностные каналы).

Нечаев Юрий Борисович - ВГУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, тел.8-960-112-91-30, (4732) 78-25-62 Портных Сергей Викторович - ОАО «Концерн «Созвездие», инженер-конструктор 1 категории, тел.8-980-341-49-23

При указанных значениях остаточного тока падением напряжения 1сЯс можно пренебречь и считать, что максимальное напряжение на запертом ключе имакс = Усе. Для отпирания ключа на затвор подается напряжение У^'>и0. Это напряжение должно быть достаточно большим тогда сопротивление транзистора стремится к нулю, и ток через него примет максимальное значение [2],[3].

Усс

На рис. 2 приведены результаты моделирования переходных процессов в ключе на мощном МОП транзисторе. Из рисунка отчётливо видно инерционность работы такого ключа.

Теперь рассмотрим одну из схемных реализаций активной обратной связи для ключа на мощном МОП-транзисторе, где активная обратная связь выполнена на МОП-транзисторе того же типа проводимости рис.3. Как известно, современные серийные мощные МОП-транзисторы (М08РБТ) способны коммутировать токи в десятки ампер при рабочем напряжении в сотни вольт за время порядка наносекунд. Однако получить на практике такие временные характеристики переходных процессов бывает непросто. Основная сложность связана с тем, что источники управляющего входного напряжения обладают сравнительно высоким выходным сопротивлением (десятки, и даже сотни Ом). Несмотря на то, что МОП-транзиторы имеют очень большое входное

Рис.2. Результаты моделирования переходных процессов в ключе на мощном МОП транзисторе

Усс

сопротивление, при высоких скоростях переключения существенное влияние оказывает входная емкость, образующая паразитную ЯС-цепочку вместе с внутренним сопротивлением источника напряжения [1].

Применение в этом случае пассивной резистивной параллельной отрицательной обратной связи по напряжению, известной в схемотехнике усилителей на полевых транзисторах, дает улучшение временных параметров, однако снижает амплитуду выходного сигнала, что часто бывает крайне нежелательно. Схемное решение представленное на рис.3 свободно от указанного недостатка. Здесь М1- ключевой транзистор, М2 - транзистор, выполняющий роль элемента активной обратной связи: сигнал, снимаемый со стока М1, управляет затвором М2, сток которого, в свою очередь, подключен к затвору М1 через резистор Я1.

Усс

На рис.5 изображены фронт и срез выходного сигнала ключа с активной обратной связью, на рис.6 представлены результаты моделирования переходных процессов в различных ключах.

Моделирование показало что, введение в ключ как пассивной, так и активной обратной связи улучшает временные характеристики переходных процессов возникающих при включении и выключении. Однако в случае ключа с пассивной обратной связью наблюдается существенное уменьшение амплитуды выходного импульса, что не желательно.

Таким образом, вводя в ключ активную обратную связь уменьшаются времена переходных процессов, при этом уровень выходного сигнала остаётся прежним, а это означает, что ключ с активной обратной связью будет обладать большим КПД по сравнению с обычным ключом и даже с ключом с отрицательной обратной связью. Этот факт означает что данный ключ может использоваться в различного рода импульсной технике при этом могут быть существенно снижены размеры теплоотводов и тем самым уменьшены размеры всего устройства.

Рис.5. Фронт и срез ключа с активной обратной связью

Рис.6. Выходные сигналы ключей на мощном МОП-транзисторе без ОС, с пассивной ОС и с активной ОС при воздействии

тестового сигнала

Литература

1. Дудкин В.П. Быстродействующие электронные ключи на полевом транзисторе с активной обратной свзью/ Дудкин В.П., Портных Д.В., Портных С.В., Охрем-чик С.А. // Радиолокация, навигация, связь: сб.научн.тр. XIII Междунар. Научн.-техн.конф., Воронеж, 2007, Т.2. -С.1318-1327.

2. Нечаев Ю.Б. Быстродействующий электронный ключ с активной обратной связью./ Нечаев Ю.Б.,

Дудкин В.П., Портных Д.В., Портных С.В.// Физика волновых процессов и радиотехнические системы. Самара 2009., Т.12, №2. - С. 55-61.

3. Нечаев Ю.Б. Исследование переходных процессов в электронных ключах на биполярном транзисторе с комбинированной обратной связью./ Нечаев Ю.Б., Портных С.В.// Вестник Воронежского государственного технического университета. Воронеж, 2009, Т.5, №9. - С. 141-144.

Воронежский государственный университет ОАО «Концерн «Созвездие»

HIGH-POWER ELECTRONIC SWITCHES WITH ACTIVE FEEDBACK U.B. Nechaev, S.V. Portnykh

The work deals with increasing the performance of high-power transistor switches. The potential of using different kinds of feedback in high-power transistor switches for the purpose of decreasing transient processes duration, which positively affects devices efficiency and decreases noise generation, is described. Some of the results of computer modeling in Micro-Cap 9 environment are given

Key words : transient process, active feedback, high-power transistor switch