КАСКОДНЫЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ КЛЮЧ

Предлагаемая полезная модель относится к силовой преобразовательной технике, в частности к импульсным источникам питания. Устройство может служить основой обратноходового преобразователя, работающего от повышенного входного напряжения, в частности от промышленной трехфазной сети.
Прототипом данной полезной модели является схема, предложенная в статье [1], ее русский перевод - в книге [2] - см. приложение 1.
Устройство содержит транзистор QL, затвор которого соединен с выходом схемы управления СС. Схема управления содержит фильтрующий конденсатор по питанию С1 и подключена общим проводом к контакту Х2 (в прототипе схема управления и транзистор физически находятся в одном корпусе микросхемы, что не меняет сути функционирования). Исток транзистора QL соединен с контактом Х2, а его сток соединен с истоком транзистора QH, затвор которого подключен через резистор R2 к контакту Х1, а также через резистор R1 и последовательно соединенный стабилитрон D1 к контакту Х2. Между затвором и истоком подключен стабилитрон D2, а сток соединен через обмотку силового трансформатора с контактом Х1. Применение двух последовательно соединенных транзисторов позволяет вдвое увеличить рабочее напряжение ключа.
Высокое постоянное напряжение подключено к контактам Х1 и Х2. При открывании QL потенциал истока QH снижается, через затвор QH течет ток, определяемый емкостью перехода стабилитрона D1, и тем самым открывает QH. Пока QL открыт, через резистор R2 протекает небольшой ток, создающий падение напряжения на стабилитроне D2, которое поддерживает QH в открытом состоянии. При выключении транзистора QL напряжение на его стоке определяется напряжением стабилитрона D1, а весь излишек напряжения падает на транзисторе QH. Стабилитрон D2 ограничивает напряжение на затворе QH на безопасном уровне, а резистор R2 уменьшает высокочастотные колебания на стабилитроне D1 при включении и выключении QH.
Схема имеет существенный недостаток - слишком медленное включение второго транзистора QH, что приводит к большим потерям на переключение и снижению общего КПД схемы. Причиной этого является малый ток перезаряда емкости затвора QH на этапе включения, поскольку ток создается паразитной емкостью стабилитрона D1, а она слишком мала. Подключение дополнительной емкости к стабилитрону не решает проблему в целом, поскольку в этом случае сильно возрастают потери в R1 и QL, которые рассеивают всю энергию перезаряда этой емкости, что также приводит к снижению КПД.
Таким образом, из-за указанного недостатка применение данной схемы ограничено преобразователями малой мощности в единицы ватт, для которых низкий КПД не является критичным фактором.
Техническим результатом предлагаемого решения является увеличение КПД ключа за счет повышения скорости включения второго транзистора.
Для достижения заявленного результата в схеме каскодного транзисторного ключа, содержащего первый транзистор Т1, затвор которого соединен с выходом схемы управления СУ, исток соединен с контактом Х2, а сток соединен с истоком второго транзистора Т2, затвор которого подключен через резистор R2 к контакту Х1, а также через резистор R1 и последовательно включенный первый стабилитрон D1 к контакту Х2, при этом между затвором и истоком подключен второй стабилитрон D2, а сток соединен через обмотку силового трансформатора Тр с контактом Х1, изменена схема подключения затвора второго транзистора. Для этого в схему введен диод D3, подключенный анодом к плюсу питания схемы управления, а катодом - к точке соединения первого стабилитрона D1 и резистора R1, а также исключен резистор R2.
Данное решение способствует достижению высокой скорости включения второго транзистора Т2, зависящей только от сопротивления резистора R1 и напряжения питания схемы управления и не зависящей от паразитных параметров компонентов схемы, что повышает КПД работы ключа.
Предлагаемое устройство показано на фиг. 1.
Устройство содержит первый транзистор Т1, затвор которого соединен с выходом схемы управления СУ, содержащей фильтрующий конденсатор по питанию С1 и подключенной общим проводом к контакту Х2, исток соединен с контактом Х2, а сток соединен с истоком второго транзистора Т2, затвор которого подключен через резистор R1 и последовательно включенный первый стабилитрон D1 к контакту Х2, между затвором и истоком подключен второй стабилитрон D2, сток соединен через обмотку силового трансформатора Тр с контактом Х1, а также диод D3, подключенный анодом к плюсу питания схемы управления, а катодом - к точке соединения первого стабилитрона D1 и резистора R1.
Устройство работает следующим образом. Высокое постоянное напряжение подключено к контактам Х1 и Х2. При открывании первого транзистора Т1 потенциал истока второго транзистора Т2 снижается, через затвор второго транзистора течет ток, определяемый емкостью перехода первого стабилитрона D1, и тем самым открывает второй транзистор Т2. При этом ток перезаряда емкости затвора второго транзистора на этапе включения создается не только паразитной емкостью первого стабилитрона D1, но и током, протекающим от источника питания схемы управления по цепи: диод D3, резистор R1, емкость затвора второго транзистора Т2, канал открытого первого транзистора Т1. Фактически, пренебрегая паразитными параметрами элементов, можно считать, что ток перезаряда емкости затвора второго транзистора Т2 на этапе включения определяется только сопротивлением R1 и напряжением питания схемы управления. Это позволяет корректно управлять вторым транзистором Т2 и, таким образом, снимает ограничение на мощность ключа. Пока первый транзистор Т1 открыт, к затвору второго транзистора Т2 через диод D3 приложено напряжение питания схемы управления, которое поддерживает второй транзистор Т2 в открытом состоянии. При выключении первого транзистора Т1 напряжение на его стоке определяется напряжением стабилитрона D1, а весь излишек напряжения падает на втором транзисторе Т2. Второй стабилитрон D2 ограничивает напряжение на затворе второго транзистора Т2 на безопасном уровне, а резистор R2 уменьшает высокочастотные колебания на первом стабилитроне D1 при включении и выключении второго транзистора Т2.
Таким образом, достигается заявленный технический результат. Кроме того, благодаря достигнутому техническому результату, предлагаемая полезная модель имеет следующие преимущества по отношению к прототипу:
1) мощность преобразователей, построенных на основе данного ключа, может составлять десятки ватт против единиц ватт у прототипа,
2) отсутствует высоковольтный резистор R2, состоящий из нескольких обычных резисторов, что существенно экономит место на печатной плате.
Литература:
[1] "Designing Wide Range Power Supplies for Three Phase Industrial Applications" Rahul Joshi, Power Integrations, 2006
[2] "Разработка источника питания широким диапазоном входного напряжения для промышленной трехфазной сети" ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ №6 2008 стр. 57.