ТРАНЗИСТОРНЫЙ КЛЮЧ С ПРОПОРЦИОНАЛЬНО ТОКОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
TRANSISTOR SWITCH WITH PROPORTIONAL CURRENT CONTROL

Изобретение относится к схемотехнике переключения мощных биполярных транзисторов.
Известен транзисторный ключ с пропорционально токовым управлением, содержащий биполярный транзистор, токовый трансформатор, два МДП транзистора различных типов проводимости, два диода, конденсатор, резистор и вспомогательный источник напряжения, причем затворы МДП транзисторов соединены с управляющим входом устройства, исток первого и сток второго МДП транзисторов соединены с базой биполярного транзистора, коллектор биполярного транзистора непосредственно подключен к первому выходу устройства и через первичную обмотку токового трансформатора подключен ко второму выходу устройства, а эмиттер биполярного транзистора соединен с первым входом устройства, первым выводом вторичной обмотки токового трансформатора и положительным полюсом вспомогательного источника напряжения, отрицательный полюс которого соединен с истоком второго МДП транзистора. Второй вход устройства соединен со стоком первого МДП транзистора конденсатором шунтированным сопротивлением. Аноды диодов соединены со вторым выводом вторичной обмотки токового трансформатора, причем катод первого диода соединен со стоком первого МДП транзистора, а катод второго диода с коллектором биполярного транзистора (US 5138202, 11.08.1992).
Основные недостатки данного устройства - наличие вспомогательного источника напряжения и отсутствие возможности осуществлять рассасывание электрического заряда перехода база-эмиттер в процессе выключения биполярного транзистора током, пропорциональным току коллектора. Указанный недостаток не позволяет реализовать оптимальный режим выключения транзистора, что приводит к излишним динамическим потерям мощности устройства.
Известен транзисторный ключ с пропорционально токовым управлением, наиболее близкий по своей технической сущности к предлагаемому изобретению и выбранный в качестве прототипа. Данный ключ содержит первый транзистор, эмиттер которого соединен с первым входом устройства, анодом первого диода и выводом резистора, шунтирующих переход база-эмиттер, коллектор первого транзистора соединен непосредственно с первым выходом устройства и через первичную обмотку токового трансформатора со вторым выходом устройства. Первый и второй терминальные выводы вторичной обмотки токового трансформатора соединены с катодами первого и второго диодов Шотки соответственно, а средняя точка этой обмотки соединена с эмиттером первого транзистора. Первый и второй диоды Шотки соединены соответственно с катодами первого и второго диодов Зенера, причем анод первого диода Зенера соединен с эмиттером первого транзистора, а анод второго диода Зенера соединен с базой первого транзистора. Второй транзистор эмиттером подключен к базе первого транзистора, а коллектором подключен к катодам второго и третьего диодов, причем анод второго диода соединен со вторым входом устройства, а анод третьего диода соединен с первым выводом вторичной обмотки токового трансформатора. Первичная обмотка управляющего трансформатора соединена с управляющими входами устройства, а вторичная обмотка управляющего трансформатора одним выводом соединена с базой первого транзистора, а вторым с базой второго транзистора (US 4399500, 16.08.1983).
Недостаток устройства прототипа - большие тепловые потери в цепи управления мощным транзистором и завышенная установочная мощность токового трансформатора. Данный недостаток обусловлен тем, что большой базовый ток мощного транзистора протекает по контуру, включающему часть вторичной обмотки токового трансформатора, диод, управляющий транзистор, базовый переход мощного транзистора. Относительно большое напряжение на выводах вторичной обмотки токового трансформатора обуславливает завышенные потери мощности на управление мощным транзистором. Большое напряжение на обмотках токового трансформатора приводит к завышению установочной мощности токового трансформатора, поскольку в трансформаторе накапливается завышенная реактивная энергия, которая после выключения мощного транзистора рассеивается на первых диодах Шотки и Зенера.
Технический результат изобретения - снижение тепловых потерь в цепи управления мощным переключающим транзистором и уменьшение установочной мощности токового трансформатора. Технический результат достигается за счет снижения напряжений на обмотках токового трансформатора и обеспечения оптимального управления выключением мощного транзистора, обеспечивающего уменьшение динамических потерь мощности во время переходного процесса.
Технический результат достигается тем, что предлагаемый транзисторный ключ с пропорционально токовым управлением содержит первый транзистор, эмиттер которого соединен с первым входом ключа, с анодом первого диода и выводом первого резистора, шунтирующих транзисторный переход база-эмиттер, коллектор первого транзистора соединен непосредственно с первым выходом ключа и через первичную обмотку токового трансформатора со вторым выходом ключа, средняя точка вторичной обмотки токового трансформатора соединена с эмиттером первого транзистора, при этом в ключ дополнительно введены второй и третий транзисторы, имеющие дополнительный относительно первого транзистора тип проводимости и соединенные с базой первого транзистора коллектором и эмиттером соответственно, причем эмиттер второго транзистора подключен к выводу первой части вторичной обмотки трансформатора, а также введены четвертый и пятый транзисторы, имеющие тип проводимости, совпадающий с первым транзистором, эмиттеры которых подключены к выводу второй части вторичной обмотки трансформатора, коллектор пятого транзистора подключен к базе второго транзистора через второй резистор, а база пятого транзистора подключена через третий резистор к соединенным коллектору четвертого транзистора и базе третьего транзистора, при этом база четвертого транзистора соединена с коллектором третьего транзистора, переходы база-эмиттер второго, третьего и четвертого транзисторов шунтированы четвертым, пятым и шестым резисторами соответственно, кроме того, переход база-эмиттер третьего транзистора шунтирован вторым диодом, анод которого подключен к базе третьего транзистора, причем управляющий вход ключа соединен с анодом второго диода цепочкой из конденсатора и резистора.
На фиг.1 приведена принципиальная схема транзисторного ключа, являющегося аналогом.
На фиг.2 приведена принципиальная схема транзисторного ключа, выбранного в качестве прототипа.
На фиг.3 приведена принципиальная схема предлагаемого транзисторного ключа с пропорционально токовым управлением.
На фиг.4 приведен вариант использования ключа на примере повышающего преобразователя напряжения.
На фиг.5 и 6 приведены диаграммы напряжений и токов, иллюстрирующие работу ключа в представленной на фиг.4 конфигурации повышающего преобразователя напряжения.
Предлагаемый транзисторный ключ с пропорционально токовым управлением содержит первый транзистор 1, эмиттер которого соединен с первым входом 2 ключа, с анодом первого диода 3 и выводом первого резистора 4, шунтирующих транзисторный переход база-эмиттер. Коллектор первого транзистора 1 соединен непосредственно с первым выходом 5 ключа и через первичную обмотку токового трансформатора 6 со вторым выходом 7 ключа, средняя точка вторичной обмотки токового трансформатора 6 соединена с эмиттером первого транзистора 1. В ключ дополнительно введены второй 8 и третий 9 транзисторы, имеющие дополнительный относительно первого транзистора 1 тип проводимости и соединенные с базой первого транзистора 1 коллектором и эмиттером соответственно, причем эмиттер второго транзистора 8 подключен к выводу первой части вторичной обмотки трансформатора 6, а также введены четвертый 10 и пятый 11 транзисторы, имеющие тип проводимости, совпадающий с первым транзистором 1, эмиттеры которых подключены к выводу второй части вторичной обмотки трансформатора 6. Коллектор пятого транзистора 11 подключен к базе второго транзистора через второй резистор 12, а база пятого транзистора подключена через третий резистор 13 к соединенным коллектору четвертого транзистора 10 и базе третьего транзистора 9. База четвертого транзистора 10 соединена с коллектором третьего транзистора 9. Переходы база-эмиттер второго 8, третьего 9 и четвертого 10 транзисторов шунтированы четвертым 14, пятым 15 и шестым 16 резисторами соответственно. Переход база-эмиттер третьего транзистора 9 шунтирован вторым диодом 17, анод которого подключен к базе третьего транзистора 9. Управляющий вход 18 ключа соединен с анодом второго диода 17 цепочкой из конденсатора 19 и резистора 20.
Работу предлагаемого транзисторного ключа с пропорциональным токовым управлением рассмотрим на примере его использования в повышающем преобразователе напряжения. На управляющий вход 18 ключа поступают прямоугольные импульсы, каждый из которых на месте соединения конденсатора 19 и резистора 20 приобретает вид, представленный на диаграмме фиг.5 (А). Значения напряжений, представленных на фиг.5, приведены относительно первого входа 2 ключа. Быстрое нарастание напряжения на подключенном к конденсатору 19 выводе резистора 20 вызывает протекание тока через второй диод 17 и переход база-эмиттер первого транзистора 1, инициируя его включение, что сопровождается нарастанием напряжения на базе первого транзистора 1, фиг.5 (Б). Одновременно появляется ток коллектора первого транзистора 1, представленный на диаграмме фиг.6 (Б), и ток, протекающий по первичной обмотке токового трансформатора 6, представленный на диаграмме фиг.6 (А). Этот нарастающий ток вызывает появление напряжения положительной полярности на выводе вторичной обмотки токового трансформатора 6, подключенном к эмиттеру второго транзистора 8 и напряжения отрицательной полярности на выводе, подключенном к эмиттеру пятого транзистора 11, что приводит к открыванию пятого транзистора 11 и вводу в насыщенное состояние второго транзистора 8. Таким образом, после включения первого транзистора по контуру, включающему первую часть вторичной обмотки токового трансформатора 6, переход коллектор-эмиттер второго транзистора 8 и переход база-эмиттер первого транзистора 1, протекает ток, пропорциональный току в первичной обмотке трансформатора 6, причем коэффициент пропорциональности задается соотношением числа витков первичной обмотки к числу витков рассматриваемой части вторичной обмотки. Отличительной чертой предлагаемого ключа является низкий порог напряжения, необходимого для поддержания желаемого базового тока первого транзистора 1. Заметим, что из-за функционирования цепи рекуперации, подключенной к первому выходу 5 ключа фиг.4, ток, протекающий по первичной обмотке трансформатора 6, отличается от тока коллектора первого транзистора 1. По окончании запускающего импульса на управляющем входе 19 ключа напряжение на выводе конденсатора 19, соединенном с резистором 20, приобретает отрицательную полярность, что инициирует процесс выключения ключа. Выключение начинается с включения тиристора, составленного из третьего 9 и четвертого 10 транзисторов. При этом включение четвертого транзистора 10 инициирует выключение пятого транзистора 11, что в свою очередь вызывает выключение второго транзистора 8. Выключение второго транзистора приводит к тому, что протекающий по первой части вторичной обмотки трансформатора 6 ток резко уменьшается, что приводит к кратковременному всплеску напряжения на эмиттере второго транзистора 8, фиг.5 (В). Прекращение тока фиг.6 (Г), протекающего по первой половине вторичной обмотки трансформатора, сопровождается нарастанием тока, фиг.6 (Д), осуществляющего рассасывание заряда в переходе база-эмиттер первого транзистора 1, протекающего по второй части вторичной обмотки трансформатора 6 и тиристору, образованному третьим 9 и четвертым 10 транзисторами. Этот ток пропорционален току, протекающему по первичной обмотке трансформатора 6. Коэффициент пропорциональности определяется соотношением числа витков в первичной обмотке трансформатора 6 к числу витков во второй части вторичной обмотки. Возможность выбора этого коэффициента пропорциональности позволяет осуществлять оптимальный режим выключения мощного транзистора, что способствует снижению динамических потерь мощности при переключениях ключа. На диаграмме фиг.5 (Б), представляющей напряжение на базовом выводе первого транзистора 1, процесс рассасывания базового заряда представлен некоторым снижением напряжения. После окончания процесса рассасывания базового заряда первого транзистора 1 напряжение на базе транзистора 1 принимает отрицательное значение, определяемое падением напряжения на первом диоде 3 при протекании через него тока, фиг.6 (Е), по контуру, включающему вторую часть вторичной обмотки трансформатора и тиристор, образованный третьим 9 и четвертым 10 транзисторами. В процессе рассасывания базового заряда первого транзистора 1 его коллекторный ток продолжает нарастать и резко спадает по окончании этого процесса, фиг.6 (Б), при этом ток фиг.6 (А), протекающий по первичной обмотке трансформатора 6, заканчивается позже. Задержка в прекращении тока, протекающего по первичной обмотке трансформатора 6, определяется функционированием рекуперационной цепи, представленной на фиг.4, подключенной к первому выходу 5 устройства. Указанная рекуперационная цепь (US 4489373, 18.12.1984) поддерживает низкое напряжение па коллекторе первого транзистора 1 в процессе его выключения. На интервале времени, на котором рекуперационная цепь поддерживает ток в первичной обмотке трансформатора 6, ток во второй части вторичной обмотки трансформатора 6 протекает через второй диод 3 и тиристор, образованный третьим 9 и четвертым 10 транзисторами, что определяет напряжение, представленное на диаграмме, фиг.5 (Г). На этом интервале времени на слабонагруженной первой части вторичной обмотки трансформатора 6 наблюдается повышение напряжения, фиг.5 (Г). После прекращения тока в первичной обмотке трансформатора 6 напряжения на выводах вторичной обмотки изменяют свою полярность и начинается процесс рассасывания магнитного потока, при этом ток в цепях вторичной обмотки токового трансформатора 6 протекает через второй 8, третий 9 и четвертый транзисторы, находящиеся в режиме инверсного включения. Представленный на диаграмме фиг.6 (В) базовый ток первого транзистора 1 является суммой тока (фиг.6 (Г)) коллектора второго транзистора 8, тока (фиг.6 (Д)) эмиттера третьего транзистора 9 и тока (фиг.6 (Е)) первого диода 3. Предлагаемый ключ позволяет осуществлять рассасывание базового заряда мощного биполярного транзистора 1 током, связанным оптимальным соотношением с базовым током включенного состояния транзистора 1, что обеспечивает минимальное время выключения транзистора и тем самым снижает динамические потери мощности при переключениях. В приведенных на фиг.6 диаграммах рассасывание базового заряда начинается удвоенным базовым током транзистора на момент начала его выключения. При обеспечении включенного состояния первого транзистора 1 напряжение, обеспечиваемое первой частью вторичной обмотки трансформатора 6, равно сумме напряжения на переходе база-эмиттер транзистора 1 и напряжения на переходе эмиттер-коллектор второго транзистора 8, находящегося в состоянии насыщения. Такое напряжение примерно в полтора раза меньше, чем напряжение, обеспечиваемое первой частью вторичной обмотки токового трансформатора в устройстве, выбранном в качестве прототипа, что и приводит к существенному уменьшению тепловых потерь в устройстве. Кроме того, уменьшение напряжений на обмотках токового трансформатора позволяет уменьшить его установочные размеры.